10 ovanliga tillstånd

De flesta människor kan enkelt namnge de tre klassiska materia tillstånden av flytande, fast och gas. De som tog några fler vetenskapskurser kommer att lägga till plasma i den listan. Men genom åren har forskare utvidgat vår lista över möjliga tillstånd av materien långt bortom de stora fyra. I processen har vi lärt oss mycket om Big Bang, lightabers och en hemlig materia som gömmer sig i den ödmjuka kycklingen.

10Amorfa fasta ämnen

Amorfa fasta substanser är en spännande undergrupp av det välkända fasta tillståndet. I ett normalt fast föremål är molekylerna högorganiserade och kan inte röra sig mycket fritt. Detta ger fast material hög viskositet, vilket är ett mått på flödesmotstånd. Vätskor har å andra sidan en oorganiserad molekylstruktur, så att de kan strömma förbi varandra, plaska runt och ta formen av behållaren de hålls i. Ett amorft fastämne finns halvvägs mellan dessa två tillstånd av materia. I en process som kallas förglasning, en vätska kyler och dess viskositet ökar till den punkt som det inte längre flyter som en vätska, men dess molekyler förblir oordning och bildar inte en kristalliserad struktur som ett normalt fastämne.

Det vanligaste exemplet på ett amorft fast material är glas. I tusentals år har människor gjort glas med kiseldioxid. När glasmakare kyler kiseldioxid från dess flytande tillstånd, stelnar det inte faktiskt när det passerar under smältpunkten. När temperaturen fortsätter att minska, ökar viskositeten, vilket gör att den verkar solid. Emellertid upprätthåller molekylerna fortfarande sin oorganiserade struktur. Vid denna tidpunkt blir glas ett amorft fast ämne. Denna övergångsprocess har gjort det möjligt för hantverkare att skapa vackra och surrealistiska glasskulpturer.

Så vad är funktionell skillnad mellan ett amorft fast ämne och ett normalt fast ämne? I vardagen, inte mycket. Glaset verkar helt fast tills du tittar på det på en molekylär nivå. Och ta inte in i myten att glaset flyter som flytande under långa perioder. Lazy tour guides tycker om att fortsätta denna myt genom att visa gammalt glas i kyrkorna, som ofta ser tjockare mot botten, men det är faktiskt på grund av brister i glasprocessen som resulterade i ojämnt glas som naturligt placerades i fönstret med den tjockare sidan på botten. Men medan det kanske inte är väldigt spännande att titta på, har det studerat forskare nya insikter i fasövergångar och molekylär struktur genom att studera amorfa fasta substanser som glas.

9Superkritiska vätskor

De flesta fasövergångar sker under vissa temperatur- och tryckparametrar. Alla vet att en ökning av temperaturen så småningom vänder en vätska till en gas. Men när trycket ökar tillsammans med temperaturen gör vätskan istället hoppet i superkritiska vätskor, som har egenskaperna hos både en gas och en vätska.

Till exempel kan superkritiska vätskor passera genom fasta ämnen som en gas men kan också fungera som ett lösningsmedel som en vätska. Intressant nog kan en superkritisk vätska finjusteras för att vara mer gasliknande eller mer flytande, beroende på kombinationen av tryck och temperatur. Detta har gjort det möjligt för forskare att komma med en mängd olika applikationer för superkritiska vätskor, allt från extrem till vardagliga.

Medan superkritiska vätskor inte är lika vanliga som amorfa fasta ämnen, slutar du nog ändå växla med dem nästan lika ofta som du interagerar med glas. Superkritisk koldioxid har fått fördel med bryggerierna för förmåga att fungera som lösningsmedel vid hopputvinning, medan kaffebolagen använder den för att producera bättre koffeinfritt kaffe. Superkritiska vätskor har också använts för att skapa effektivare hydrolys och att tillåta kraftverk att springa vid högre temperaturer. För ett tillstånd av materia som ingen har hört talas om använder du förmodligen biprodukter av superkritiska vätskor varje dag.

8Degenerate Matter

Medan amorfa fasta ämnen åtminstone inträffar på planeten Jorden finns degenererade materia endast inom vissa typer av stjärnor. Degenererat materia föreligger när materiets yttre tryck inte dikteras av temperatur, som på jorden, utan av komplexa kvantprinciper, vanligtvis Pauli-uteslutningsprincipen (mer än ett ögonblick). På grund av detta skulle det yttre trycket av degenererat material fortsätta även om temperaturen i saken sjönk till absolut noll. De två huvudtyperna av degenererat material är kända som elektrondegenererade ämnen och neutrondegenererade ämnen.

Elektron-degenererat material består främst av vita dvärgstjärnor. Saken bildas i kärnan av stjärnan, när viktens vikt kring kärnan försöker komprimera kärnans elektroner till lägsta energistatus. Enligt Pauli-uteslutningsprincipen kan emellertid inga två sådana partiklar uppta samma energiläge. Således trycker partiklarna på materialet runt kärnan, vilket skapar ett utåt tryck på grund av kvantlagarna, vilket dikterar att alla elektroner i kärnan inte kan existera i lägsta energistatus. Detta kan bara bestå om stjärnans massa är mindre än 1,44 gånger vår Suns massa. När en stjärna är över denna gräns (så kallad Chandrasekhar-gränsen) kommer den helt enkelt att kollapsa in i en neutronstjärna eller ett svart hål.

När en stjärna kollapsar för att bli en neutronstjärna, har den inte längre elektrondegenererad materia, men består nu av neutron-degenererad materia. Eftersom en neutronstjärna är så tung, får det elektronerna att smälta med protonerna i kärnan och skapa neutroner. Fria neutroner (neutroner som inte är bundna i en atomkärna) har vanligen en halveringstid på 10,3 minuter. Men i kärnan i en neutronstjärna medger stjärnens massa neutroner att existera utanför en kärna som bildar neutron-degenererad materia.

Andra exotiska former av degenererad materia kan existera, inklusive märklig materia, som kan existera i en sällsynt form av stjärna som kallas en kvarkstjärna. Quarkstjärnor är scenen mellan en neutronstjärna och ett svart hål, där kvarken i kärnan kopplar samman och skapar en soppa med fria kvarkar. Vi har ännu inte observerat denna typ av stjärna, men fysiker fortsätter att teoretisera deras existens.

7Superfluid

Låt oss återvända till jorden för att diskutera superfluid. En superfluid är ett tillstånd av materia som existerar när vissa isotoper av helium, rubidium och litium kyls till nästan absolut noll. Detta liknar ett Bose-Einstein-kondensat (BEC), men det finns små skillnader. Vissa Bose-Einstein-kondensat är superfluider och vissa superfluider är Bose-Einstein-kondensat, men inte alla klasser passar in i den andra.

Den vanligaste superfluiden är flytande helium. När helium kyls till "lambda-punkten" med 2,17 grader Kelvin blir en del av vätskan en superfluid. När de flesta ämnen kyls ner till en viss punkt, kommer attraktionen mellan atomer att övervinna värmevibrationerna i substansen, vilket gör att substansen kan bilda en fast struktur. Men heliumatomer interagerar med varandra så svagt att det kan vara en vätska fram till absolut noll. I själva verket överlappar egenskaperna hos de enskilda atomerna vid den temperaturen, vilket skapar superfluids konstiga egenskaper.

Till att börja med har en superfluid inte intern viskositet. Superfluider som placeras i ett provrör kommer att börja krypa upp sidorna av röret, som tycks bryta mot tyngdkraftslagen och ytspänningen. Vätska helium läcker mycket lätt eftersom det kan läcka igenom något mikroskopiskt hål. Superfluider uppvisar också konstiga termodynamiska egenskaper. De har noll termodynamisk entropi och är oändligt termiskt ledande. Det betyder att två superfluider inte kan ha en termisk differential. Om värme införs till en superfluid kommer det att leda så snabbt att termiska vågor skapas, en egenskap som inte existerar för normala vätskor.

6Bose-Einstein-kondensat

Bose-Einstein kondensat är förmodligen en av de mest kända obskyra formerna av materia, men också en av de svåraste att förstå. Först måste vi förstå vad bosoner och fermioner är. En fermion är en partikel med en heltalsspinn (som en elektron) eller en kompositpartikel (som en proton). Dessa partiklar följer Pauli-uteslutningsprincipen som gör elektrondegenererad materia arbete. En boson har emellertid ett helt heltal och flera bosoner kan uppta samma kvanttillstånd. Bosoner inkluderar någon kraftbärande partikel (som fotoner) samt vissa atomer, inklusive vår vänshelium-4 och andra gaser. Element i denna kategori är kända som bosoniska atomer.

På 1920-talet använde Albert Einstein arbetet med den indiska fysikern Satyendra Nath Bose för att föreslå en ny form av materia. Einsteins ursprungliga teori var om du kyldes vissa elementära gaser till en bråkdel av en kelvin över absolut noll, deras vågfunktioner skulle samlas för att skapa en "superatom". Ett sådant ämne skulle visa kvanteffekter på makroskopisk nivå. Men det var inte förrän 1990-talet att tekniken existerade till tillräckligt kalla element till den temperatur som behövdes. År 1995 undersökte Eric Cornell och Carl Wieman att man kunde samla 2000 atomer i ett Bose-Einstein-kondensat, vilket var tillräckligt stort för att ses i ett mikroskop.

Bose-Einstein kondensater är nära besläktade med superfluider men har sin egen unika uppsättning egenskaper. Det mest chockerande är att en BEC kan sakta ner ljuset från sin normala hastighet på 300 000 meter per sekund. 1998 hade Harvardforskaren Lene Hau kunnat sakta ner till 60 kilometer i timmen (37 mph) genom att skjuta en laser genom ett cigarrformat prov av BEC. I senare experiment kunde Hau's team stoppa ljuset helt i en BEC genom att stänga av lasern när den passerade genom provet. Dessa experiment har öppnat helt nya fält av ljusbaserad kommunikation och kvantkalkylering.

5Jahn-Teller Metals

Jahn-Teller Metals är det nyaste barnet på ämnesområdet, med forskare som bara lyckades skapa dem för första gången 2015. Om bekräftat av andra laboratorier kan experimentet förändra världen som vi vet det, eftersom Jahn-Teller-metaller har egenskaper hos både en isolator och en superledare.

Forskare som leds av kemist Kosmas Prassides experimenterade genom att ta kol-60 molekyler (i allmänhet kända som buckbollar) och sätta in rubidium i strukturen, vilket tvingade kol-60-molekylerna att ta på sig en ny form. Metallen är uppkallad efter Jahn-Teller-effekten, som beskriver hur trycket kan ändra molekylernas geometriska form till nya elektronkonfigurationer. I kemi uppnås inte bara tryck genom att komprimera något men kan också uppnås genom att lägga till nya atomer eller molekyler i en tidigare existerande struktur, ändra dess grundläggande egenskaper.

När Prassides forskargrupp började införa rubidium i kol-60-molekylerna, förändrades kolmolekylerna från en isolator till en superledare. På grund av Jahn-Teller-effekten försökte molekylerna dock vara i sin gamla konfiguration, vilket skapade ett ämne som verkar vara en isolator men har elektriska egenskaper hos en superledare. Övergången mellan en isolator och en superledare har aldrig visats tills dessa experiment uppstod.

Vad som är väldigt spännande om Jahn-Teller-metaller är att de blir en superledare vid höga temperaturer (-135 grader Celsius, i motsats till -243,2 grader Celsius). Detta gör dem närmare hanterbara nivåer för massproduktion och experiment.Om kraven är korrekta är vi så mycket närmare massproducerande material som driver elektricitet utan resistansproducerande ingen värme, ljud eller energifrisättning, vilket revolutionerar energiproduktion och transport.

4fotografisk materia

I årtionden var den konventionella visdomen bakom fotoner att de var massiva partiklar som inte interagerade med varandra. Under de senaste åren har MIT och Harvard forskare upptäckt nya sätt att få ljus att ha massor och har till och med skapat "lätta molekyler" som studsar varandra och binder samman. Om det låter tråkigt, anser att det är i första hand det första steget att skapa en lightsaber.

Vetenskapen bakom fotonisk materia är lite komplex, men håller fast vid det. (Kom ihåg, lightsabers.) Forskare började skapa fotoniska ämnen genom experiment med superkyld rubidiumgas. När en foton skottas genom gasen, avböjs den och interagerar med rubidiummolekylerna, förlorar energi och saktar ner. Så småningom kommer fotonen från gasmoln att sänka sig avsevärt men med sin identitet intakt.

Saker börjar bli konstiga när du skjuter två fotoner genom gasen, vilket orsakar ett fenomen som kallas Rydberg-blockaden. När en atom blir upphetsad av en foton, kan de närliggande atomer inte upphetsas i samma grad. I huvudsak kommer den upphetsade atomen i fotonen. För att en omgivande atom ska kunna upphetsas av den andra fotonen måste den första fotonen röra sig framåt genom gasen. Fotoner brukar inte interagera med varandra, men när de står inför en Rydberg-blockad pressar de varandra genom gasen, handlar energi och interagerar med varandra under vägen. Ur ett yttre perspektiv verkar dessa fotoner ha massa och fungerar som en enda molekyl, även om de fortfarande är masslösa. När fotonen kommer ut ur gasen verkar de vara sammanfogade, som i en ljusmolekyl som kan böjas och formas.

Praktiska tillämpningar av fotonisk materia är fortfarande långt borta, men forskaren Mikhail Lukin har redan en hel lista över möjliga användningsområden, allt från dator, för att skapa 3-D-kristaller helt ur ljus, och ja, att göra ljuskällor.

3Disordered Hyperuniformity

När man försöker bestämma sig för huruvida ett ämne är ett nytt tillstånd, tittar forskare på substansens struktur och dess egenskaper. År 2003 föreslog Salvatore Torquato och Frank H. Stillinger of Princeton University ett nytt tillstånd av materia som kallas oordnad hyperuniformitet. Medan det kan tyckas som en oxymoron var tanken att den nya typen av materia skulle verka oordning när den ses nära men hyperuniform och strukturerad över en lång rad. Sådan sak skulle ha egenskaperna hos både en kristall och en vätska. Först verkade detta bara förekomma i enkla plasma och vätskevätska, men nyligen har forskare funnit ett naturligt exempel på de svåraste ställena: ett kycklingöpp.

Hönor har fem koner i ögonen. Fyra detektera färg och en detekterar ljusnivåer. I motsats till det mänskliga ögat eller de sexkantiga ögonen av insekter verkar emellertid dessa koner slumpmässigt dispergeras utan någon riktig ordning. Detta beror på att konerna i ett kycklingöpp har en uteslutningszon kring dem som inte tillåter två konar av samma typ att sitta bredvid varandra. På grund av uteslutningszonen och formen av konerna kan de inte bilda en ordnad kristallin struktur (som de som vi finner i fasta ämnen) men när alla konerna ses som en helhet, visar det sig att de faktiskt har en högbeställd mönster, som kan ses i dessa bilder från Princeton. Således kan vi beskriva konerna i ett kycklingöpp som en vätska när vi tittat på nära håll och en fast när vi ses från långt bort. Detta är annorlunda än de ovannämnda amorfa fastämnena genom att ett hyperuniformt material kommer att verka som en vätska, medan ett amorft fastämne inte kommer att.

Forskare forskar fortfarande på denna nya materia, vilket faktiskt kan bli vanligare än vad som ursprungligen trodde. Just nu ser Princeton forskare på att använda hyperuniforma material för att skapa självorganiserande strukturer och ljussensorer riktade mot mycket specifika våglängder.

2String-Net Liquid

Vilket tillstånd är materiens vakuum? De flesta har inte tänkt på den frågan, men MITs Xiao-Gang Wen och Harvard Michael Levin har föreslagit ett nytt tillstånd av materia som kunde hålla nyckeln till att upptäcka grundläggande partiklar bortom elektronen.

Vägen till att utveckla strängnätvätskemodellen började på mitten av 90-talet, när ett lag vetenskapsmän föreslog vad de kallade "kvasipartiklar", som tycktes förekomma i ett experiment där elektroner passerade mellan två halvledare. Detta orsakade en viss rörelse, eftersom kvasipartiklarna fungerade som om de hade en bråkdel, något som fysiken vid den tiden ansågs omöjligt. Teamet tog dessa uppgifter och föreslog att elektronen inte var en grundläggande partikel i universum, och att det fanns mer grundläggande partiklar som vi inte hade upptäckt än. Deras arbete vann dem Nobelpriset, men det upptäcktes senare att deras resultat orsakades av ett fel i experimentet. Idén om en "kvasi-partikel" försvann.

Men vissa forskare gav inte upp det helt. Wen och Levin tog arbetet med "kvasi-partiklar" och föreslog en ny tillstånd av materia som kallas strängnätet. Denna materia skulle innebära kvantintrassering som grundegenskap. På samma sätt som oordnad hyperuniformitet, om man tittat på ett strängnät nära varandra, verkar det ha en oordnad uppsättning elektroner.Men när man tittar på hela strukturen skulle man se att den var högbeställd på grund av elektronernas kväveförskjutningsegenskaper. Wen och Levin utvidgade sedan sitt arbete för att omfatta andra partiklar och förtrollningsegenskaper.

När datormodeller kördes på det nya tillståndet visade Wen och Levin att slutet av ett strängnät kunde producera de olika subatomära partiklarna som vi har blivit vuxna att älska, inklusive den fabulerade Äququaspartikeln. "Ännu mer chockerande , upptäckte de att när strängnätet vibrerade gjorde de det i enlighet med Maxwells ekvationer som styr ljuset. I sina papper föreslog Wen och Levin att rymden är fylld med strängnät av intrasslade subatomära partiklar och att ändarna av dessa, Äústrings, är de subatomära partiklar som vi ser. De har också föreslagit att denna strängnätvätska är det som orsakar ljus att existera. Om vakuumet i rymden fylldes med strängnätvätska skulle det göra det möjligt för oss att förena materia och ljus.

Det kan alla verka väldigt långsam, men i 1972 (decennier före strängnätförslaget) upptäckte geologerna ett konstigt mineral i Chile som kallades herbertsmitit. Inom mineralen bildar elektroner trekantiga strukturer, vilket tycks motsäga vad vi vet om hur elektroner interagerar med varandra. Denna triangulära struktur förutses emellertid av strängnätmodellen, och forskare har arbetat med artificiell herbertsmitit för att försöka bevisa modellen exakt. Tyvärr är juryn fortfarande ute om huruvida denna teoretiska tillståndssituation faktiskt existerar.

1Quark-Gluon Plasma

För vår sista obskilda materia tillstånd, låt oss se tillbaka till tillståndet av materia som vi alla började som: kvark-gluon plasma. Faktum är att det tidiga universum var en helt annan materia än vad våra klassiska stater gjorde. Men först en liten bakgrund.

Kvarker är de elementära partiklarna som vi hittar inuti av hadroner (som protoner och neutroner). Hadroner består antingen av tre kvarker eller en kvark och en antarkvark. Quarks har fraktionella avgifter och hålls ihop av gluoner, som är utbytespartikeln för den starka kärnkraften.

Vi ser inte fria kvarker i naturen, men strax efter Big Bang fanns kvicksilver och gluoner i en millisekund. Under denna tid var universumets temperatur så varm att kvarkerna och gluonerna knappt interagerade med varandra när de rör sig nära ljusets hastighet. Under denna tidsperiod var universum helt sammansatt av denna heta kvark-gluonplasma. Efter en annan bråkdel av en sekund skulle universum ha svalnat tillräckligt för att tillåta tunga partiklar såsom hatroner att bilda och kvarker började interagera med gluoner och varandra. Från och med denna tid började universum som vi känner det, med hadroner som binder med elektroner för att skapa primitiva atomer.

I dagens nuvarande fas har forskare försökt återskapa kvark-gluonplasma i stora partikelacceleratorer. Under dessa experiment krossas tunga partiklar som hatroner i varandra, vilket skapar temperaturer som gör att kvarkar kan kopplas bort under en kort period. Från dessa tidiga experiment har vi redan lärt oss några av egenskaperna hos kvark-gluonplasma, vilket tydligen var helt friktionslös och närmare en vätska än vår normala förståelse av plasma. Som forskare fortsätter att experimentera med detta exotiska tillstånd, kommer vi att lära oss mer och mer om hur och varför vårt universum bildade det sätt som det gjorde.