Список состояний материи

Различные известные фазы состояний имеют значение

Материя распадается на различные фазы или состояния в зависимости от ее составляющих и внешних факторов, таких как давление и температура . При обычных температурах и давлениях атомы образуют три классических состояния вещества: твердое , жидкое и газообразное . Сложные молекулы также могут образовывать различные мезофазы , такие как жидкие кристаллы , которые являются промежуточными между жидкой и твердой фазами. При высоких температурах или сильных электромагнитных полях атомы ионизируются, образуя плазму .

При низких температурах электроны твердых материалов также могут организовываться в различные электронные фазы вещества, например, в сверхпроводящее состояние , которое характеризуется исчезающим удельным сопротивлением . Магнитные состояния, такие как ферромагнетизм и антиферромагнетизм, также можно рассматривать как фазы материи, в которых электронные и ядерные спины организуются в различные структуры. Такие состояния вещества изучаются в физике конденсированного состояния .

В экстремальных условиях, наблюдаемых на некоторых звездах и в ранней Вселенной, атомы распадаются на свои составляющие, и материя существует в виде некоторой формы вырожденной материи или кварковой материи . Такие состояния вещества изучаются в физике высоких энергий .

В 20 веке более глубокое понимание свойств материи привело к идентификации многих состояний материи. Этот список включает в себя несколько примечательных примеров.

Низкоэнергетические состояния вещества

Классические государства

• Твердое тело : твердое тело сохраняет определенную форму и объем без необходимости использования контейнера. Частицы удерживаются очень близко друг к другу.
  • Аморфное твердое тело : Твердое тело, в котором нет дальнего порядка положений атомов.
  • Кристаллическое твердое тело : Твердое тело, в котором атомы, молекулы или ионы упакованы в регулярном порядке.
  • Квазикристалл : Твердое тело, в котором положения атомов имеют дальний порядок, но это не повторяющийся узор.
  • Различные структурные фазы полиморфных материалов рассматриваются в теории Ландау как разные состояния вещества . Пример см. в разделе «Лед § Фазы» .
• Жидкость : В основном несжимаемая жидкость . Способен принимать форму контейнера, но сохраняет (почти) постоянный объем независимо от давления.
• Газ : сжимаемая жидкость. Газ не только примет форму своего контейнера, но и расширится, заполняя контейнер.
• Мезоморфные состояния : состояния вещества, промежуточные между твердым и жидким.
  • Пластиковый кристалл : молекулярное твердое вещество с дальним позиционным порядком, но составляющие его молекулы сохраняют свободу вращения.
  • Жидкий кристалл : Промежуточные свойства между жидкостями и кристаллами. Как правило, способен течь как жидкость, но демонстрирует дальний ориентационный порядок.
• Сверхкритическая жидкость : жидкость со свойствами, промежуточными между жидкостями и газами. При достаточно высоких температурах и давлениях различие между жидкостью и газом исчезает, в результате чего возникают сверхкритические жидкости.
• Плазма : В отличие от газов, которые состоят из нейтральных атомов, плазма содержит значительное количество свободных электронов и ионизированных атомов. Он может самостоятельно генерировать магнитные поля и электрические токи и сильно и коллективно реагировать на электромагнитные силы . ^[1]

Конденсаты, сверхтекучие жидкости и сверхпроводники.

• Конденсат Бозе-Эйнштейна : Фаза, в которой большое количество бозонов обитает в одном и том же квантовом состоянии , фактически превращаясь в одну волну/частицу. Это низкоэнергетическая фаза, образование которой возможно только в лабораторных условиях и при очень низких температурах. Оно должно быть близко к абсолютному нулю . Сатьендра Нат Бозе и Альберт Эйнштейн предсказали существование такого состояния в 1920-х годах, но оно не наблюдалось до 1995 года Эриком Корнеллом и Карлом Виманом .
• Фермионный конденсат : похож на конденсат Бозе-Эйнштейна, но состоит из фермионов , также известный как конденсат Ферми-Дирака. Принцип исключения Паули не позволяет фермионам переходить в одно и то же квантовое состояние, но пара фермионов может быть связана друг с другом и вести себя как бозон, а две или более таких пар могут без ограничений занимать квантовые состояния с заданным полным импульсом.
• Сверхпроводник : Материал, полученный в результате явления точно нулевого электрического сопротивления и изгнания магнитных полей , возникающих в некоторых веществах при охлаждении ниже характерной критической температуры . Сверхпроводимость — это основное состояние многих элементарных металлов. Сверхпроводники бывают нескольких разновидностей:
  • Обычный сверхпроводник : сверхпроводник, описываемый теорией БКШ с синглетным параметром порядка.
  • Нетрадиционный сверхпроводник : сверхпроводник, нарушающий дополнительную симметрию. Например, d -волновой или триплетный сверхпроводник, или сверхпроводник Фульде–Феррелла–Ларкина–Овчинникова .
  • Ферромагнитный сверхпроводник : материалы, которые демонстрируют внутреннее сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости.
  • Сверхпроводник с зарядом 4e : предлагаемое состояние, в котором электроны связаны не как куперовские пары, а как четверки электронов.
• Сверхтекучесть : Фаза, достигаемая несколькими криогенными жидкостями при экстремальной температуре, при которой они начинают течь без трения . Сверхтекучая жидкость может течь вверх по стенке открытого контейнера и стекать наружу. Помещение сверхтекучей жидкости во вращающийся контейнер приведет к образованию квантованных вихрей .
• Сверхтвердое тело : подобно сверхтекучему телу, сверхтекучее тело может двигаться без трения, но сохраняет жесткую форму.

Магнитные состояния

• Ферромагнетизм : состояние вещества со спонтанным намагничиванием.
• Антиферромагнетизм : состояние материи, в котором соседние спины антипараллельны друг другу и нет чистой намагниченности.
• Ферримагнетизм : состояние, в котором локальные моменты частично компенсируются.
• Альтермагнетизм : состояние с нулевой суммарной намагниченностью и спин-расщепленными электронными зонами.
• Волна спиновой плотности : упорядоченное состояние, в котором спиновая плотность периодически модулируется.
• Гелимагнетизм : состояние с пространственно вращающимся магнитным порядком.
• Спиновое стекло : магнитное состояние, характеризующееся случайностью.
• Квантовая спиновая жидкость : неупорядоченное состояние в системе взаимодействующих квантовых спинов, которое сохраняет свой беспорядок до очень низких температур, в отличие от других неупорядоченных состояний.

Электронно упорядоченные состояния

• Сегнетоэлектричество : состояние вещества со спонтанной электрической поляризацией.
• Антисегнетоэлектричество : состояние вещества, в котором соседние электрические диполи направлены в противоположные стороны.
• Платный заказ
• Волна плотности заряда : упорядоченное состояние, в котором плотность заряда периодически модулируется.

Топологические состояния материи

• Состояние квантового Холла : топологическое состояние материи с квантованным сопротивлением Холла.
  • Дробное квантовое состояние Холла : состояние с дробно заряженными квазичастицами. Сопротивление Холла квантуется до дробных кратных кванта сопротивления.
  • Квантовое спиновое состояние Холла : теоретическая фаза, которая может проложить путь к разработке электронных устройств, которые рассеивают меньше энергии и генерируют меньше тепла. Это производная от квантового состояния Холла материи.
  • Квантовое аномальное состояние Холла : состояние, которое имеет квантованное сопротивление Холла даже в отсутствие внешнего магнитного поля.
• Топологический изолятор : материал, внутренняя часть которого ведет себя как электрический изолятор, а поверхность — как электрический проводник.
• Дробный изолятор Черна : обобщение дробного квантового состояния Холла на электроны на решетке.
• Состояние Березинского-Костерлица-Таулесса : двумерное состояние с несвязанными парами вихрь-антивихрь.
• Жидкость струнно-сетчатой ​​структуры : атомы в этом состоянии имеют нестабильное расположение, как жидкость, но по-прежнему последовательны в общей структуре, как твердое тело.
• Топологические полуметаллы: ^[2]
  • Вейль полуметаллический
  • Дирак полуметаллический
• Топологический сверхпроводник ^[3]

Классификация по проводимости

Металлическое и изоляционное состояния материалов можно рассматривать как разные квантовые фазы материи, связанные переходом металл-изолятор . По структуре поверхности Ферми и проводимости на постоянном токе при нулевой температуре материалы можно классифицировать следующим образом: ^[4]

• Металл :
  • Ферми-жидкость : металл с четко определенными состояниями квазичастиц на поверхности Ферми.
  • Неферми-жидкость : различные металлические состояния с нетрадиционными свойствами.
• Изолятор
  • Ленточный изолятор : материал, который является изолирующим из-за запрещенной зоны в его электронном спектре.
  • Изолятор Мотта : материал, который изолирует за счет взаимодействия между электронами.
  • Изолятор Андерсона : материал, который является изолирующим из-за интерференционных эффектов, вызванных беспорядком.
  • Изоляторы с переносом заряда

Разные состояния

• Кристаллы времени : состояние материи, при котором объект может двигаться даже в самом низком энергетическом состоянии.
• Скрытые состояния вещества : Фазы, которые недостижимы или не существуют в тепловом равновесии, но могут быть вызваны, например, фотовозбуждением .
• Цепно-расплавленное состояние : металлы, такие как калий, при высокой температуре и давлении проявляют свойства как твердого, так и жидкого состояния.
• Вигнеровский кристалл : кристаллическая фаза электронов с низкой плотностью.
• Гексатическое состояние , состояние вещества, находящееся между твердой и изотропной жидкой фазами в двумерных системах частиц.
• Ферроики

• Ферроупругое состояние — явление, при котором материал может проявлять спонтанную деформацию.

Состояния высокой энергии

• Вырожденная материя : Материя под очень высоким давлением, поддерживаемая принципом Паули .
  • Электронно-вырожденная материя : находится внутри звезд- белых карликов . Электроны остаются связанными с атомами, но могут переходить к соседним атомам.
  • Нейтронно-вырожденная материя : встречается в нейтронных звездах . Огромное гравитационное давление сжимает атомы настолько сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами посредством обратного бета-распада , в результате чего образуется сверхплотный конгломерат нейтронов. (Обычно свободные нейтроны вне атомного ядра распадаются с периодом полураспада чуть менее пятнадцати минут, но в нейтронной звезде, как и в ядре атома, нейтроны стабилизируются другими эффектами.)
  • Странная материя : тип кварковой материи , которая может существовать внутри некоторых нейтронных звезд, близких к пределу Толмана-Оппенгеймера-Волкова (приблизительно 2-3 солнечных массы ). После образования может быть стабильным в состояниях с более низкой энергией.
• Кварковая материя : гипотетические фазы материи, степени свободы которых включают кварки и глюоны.
  • Конденсат цветного стекла
  • Цветная сверхпроводимость
  • Кварк-глюонная плазма : фаза, в которой кварки становятся свободными и способны двигаться независимо (вместо того, чтобы быть постоянно связанными в частицы или связанными друг с другом в квантовом замке, где приложение силы добавляет энергию и в конечном итоге затвердевает в другой кварк) в океане. глюонов(субатомных частиц, передающих сильную силу , связывающую кварки вместе). Может быть на короткое время достижимо в ускорителях частиц или, возможно, внутри нейтронных звезд .
• В течение 10–35 ^секунд после Большого взрыва плотность энергии Вселенной была настолько высокой, что четыре силы природы – сильная , слабая , электромагнитная и гравитационная – считаются объединенными в одну единую силу. Состояние вещества в настоящее время неизвестно. По мере расширения Вселенной температура и плотность падали, а гравитационные силы разделялись. Этот процесс называется нарушением симметрии .

Рекомендации

1. А. Пиковер, Клиффорд (2011). «Плазма». Книга по физике . Стерлинг. стр. 248–249. ISBN 978-1-4027-7861-2.
2. Армитидж, Северная Каролина; Меле, Э.Дж.; Вишванат, Ашвин (22 января 2018 г.). «Полуметаллы Вейля и Дирака в трехмерных твердых телах». Обзоры современной физики . 90 (1): 015001. arXiv : 1705.01111 . Бибкод : 2018RvMP...90a5001A. doi : 10.1103/RevModPhys.90.015001 .
3. Сато, Масатоши; Андо, Ёичи (01 июля 2017 г.). «Топологические сверхпроводники: обзор». Отчеты о прогрессе в физике . 80 (7): 076501. arXiv : 1608.03395 . Бибкод : 2017РПФ...80г6501С. дои : 10.1088/1361-6633/aa6ac7. ISSN  0034-4885. PMID  28367833. S2CID  3900155.
4. Имада, Масатоши; Фухимори, Ацуши; Токура, Ёсинори (1 октября 1998 г.). «Переходы металл-изолятор». Обзоры современной физики . 70 (4): 1039–1263. Бибкод : 1998RvMP...70.1039I. doi : 10.1103/RevModPhys.70.1039.