Список состояний материи

Различные известные фазы состояний имеют значение

Материя организуется в различные фазы или состояния материи в зависимости от ее составляющих и внешних факторов, таких как давление и температура . При обычных температурах и давлениях атомы образуют три классических состояния материи: 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 материи, такие как сверхпроводящее состояние , которое характеризуется исчезающим сопротивлением . Магнитные состояния, такие как ферромагнетизм и антиферромагнетизм, также можно рассматривать как фазы материи, в которых электронные и ядерные спины организуются в различные узоры. Такие состояния материи изучаются в физике конденсированного состояния .

В экстремальных условиях, обнаруженных в некоторых звездах и в ранней Вселенной, атомы распадаются на свои составляющие, и материя существует как некая форма вырожденной материи или кварковой материи . Такие состояния материи изучаются в физике высоких энергий .

В 20 веке более глубокое понимание свойств материи привело к выявлению многих состояний материи. Этот список включает в себя некоторые примечательные примеры.

Низкоэнергетические состояния материи

Классические состояния

• Твердое тело : Твердое тело сохраняет определенную форму и объем без необходимости в контейнере. Частицы удерживаются очень близко друг к другу.
  • Аморфное твердое тело : твердое тело, в котором отсутствует дальний порядок расположения атомов.
  • Кристаллическое твердое тело : твердое тело, в котором атомы, молекулы или ионы упакованы в регулярном порядке.
  • Квазикристалл : Твёрдое тело, в котором расположение атомов имеет дальний порядок, но не повторяющийся.
  • Различные структурные фазы полиморфных материалов считаются различными состояниями вещества в теории Ландау . Например, см. Ice § Фазы .
• Жидкость : В основном несжимаемая жидкость . Способна принимать форму своего сосуда, но сохраняет (почти) постоянный объем независимо от давления.
• Газ : сжимаемая жидкость. Газ не только принимает форму своего контейнера, но и расширяется, заполняя контейнер.
• Мезоморфные состояния : состояния вещества, промежуточные между твердым телом и жидкостью.
  • Пластиковый кристалл : молекулярное твердое тело с дальним позиционным порядком, но с составляющими его молекулами, сохраняющими свободу вращения.
  • Жидкий кристалл : Свойства, промежуточные между жидкостями и кристаллами. Обычно способны течь как жидкость, но проявляют 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, что приводит к сверхкритическим жидкостям.
• Плазма : В отличие от газов, которые состоят из нейтральных атомов, плазма содержит значительное количество свободных электронов и ионизированных атомов. Она 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 становясь одной волной/частицей. Это низкоэнергетическая фаза, которая может быть образована только в лабораторных условиях и при очень низких температурах. Она должна быть близка 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 входить в одно и то же квантовое состояние, но пара фермионов может быть связана друг с другом и вести себя как бозон, и две или более таких пар могут занимать квантовые состояния заданного полного импульса без ограничений.
• Сверхпроводник : Материал, полученный в результате явления абсолютно нулевого электрического сопротивления и выталкивания магнитных полей , происходящего в некоторых веществах при охлаждении ниже характерной критической температуры . Сверхпроводимость — это основное состояние многих элементарных металлов. Сверхпроводники бывают нескольких видов:
  • Обычный сверхпроводник : сверхпроводник, описываемый теорией БКШ с синглетным параметром порядка.
  • Нетрадиционный сверхпроводник : Сверхпроводник, который нарушает дополнительные симметрии. Например, сверхпроводник d -волны или триплетный сверхпроводник, или сверхпроводник Фульде–Феррелла–Ларкина–Овчинникова .
  • Ферромагнитный сверхпроводник : материалы, которые демонстрируют внутреннее сосуществование ферромагнетизма и сверхпроводимости.
  • Сверхпроводник с зарядом 4e : предполагаемое 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 становятся способными течь без трения . Сверхтекучая жидкость может течь вверх по стенке открытого контейнера и вниз по внешней стороне. Помещение сверхтекучей жидкости во вращающийся контейнер приведет к образованию квантованных вихрей .
• Сверхтвердое тело : подобно сверхтекучей жидкости, сверхтвердое тело может двигаться без трения, но сохраняет жесткую форму.

Магнитные состояния

• Ферромагнетизм : состояние вещества со спонтанной намагниченностью.
• Антиферромагнетизм : состояние вещества, при котором соседние спины антипараллельны друг другу и нет суммарной намагниченности.
• Ферримагнетизм : состояние, в котором локальные моменты частично компенсируются.
• Альтермагнетизм : состояние с нулевой суммарной намагниченностью и расщепленными по спину 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 хаотичностью.
• 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, при котором соседние электрические диполи направлены в противоположных направлениях.
• Заказ на оплату
• Волна плотности заряда : упорядоченное состояние, в котором плотность заряда периодически модулируется.

Топологические состояния материи

• Квантовое состояние 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.
  • Состояние квантового спинового Холла : теоретическая фаза, которая может проложить путь к разработке электронных устройств, рассеивающих меньше энергии и генерирующих меньше тепла. Это производная от состояния квантового Холла.
  • Квантовое аномальное состояние Холла : состояние, которое имеет квантованное сопротивление Холла даже при отсутствии внешнего магнитного поля.
• Топологический изолятор : материал, внутренняя часть которого ведет себя как электрический изолятор, а его поверхность ведет себя 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 со структурой струн : атомы в этом состоянии имеют нестабильную структуру, как в жидкости, но при этом сохраняют постоянство общей структуры, как в твердом теле.
• Топологические полуметаллы: ^[2]
  • полуметалл Вейля
  • Дирак полуметалл
• Топологический сверхпроводник ^[3]

Классификация по проводимости

Металлические и изолирующие состояния материалов можно рассматривать как различные квантовые фазы материи, связанные переходом металл-изолятор . Материалы можно классифицировать по структуре их поверхности Ферми и проводимости постоянного тока при нулевой температуре следующим образом: ^[4]

• Металл :
  • Ферми-жидкость : металл с четко определенными квазичастичными состояниями на поверхности Ферми.
  • Неферми-жидкость : различные металлические состояния с необычными свойствами.
• Изолятор
  • Зонный изолятор : материал, обладающий изолирующими свойствами благодаря наличию запрещенной зоны в его электронном спектре.
  • Изолятор Мотта : материал, обладающий изолирующими свойствами за счет взаимодействия между электронами.
  • Изолятор Андерсона : материал, обладающий изолирующими свойствами за счет эффектов интерференции, вызванных беспорядком.
  • Изоляторы с переносом заряда

Разные состояния

• Кристаллы времени : состояние материи, в котором объект может двигаться даже при самом низком энергетическом состоянии.
• Скрытые состояния вещества : Фазы, которые недостижимы или не существуют в тепловом равновесии, но могут быть вызваны, например, фотовозбуждением .
• Микрофазное разделение : составные части, образующие различные фазы, при этом сохраняя единство.
• Цепно-расплавленное состояние : металлы, такие как калий, при высокой температуре и давлении проявляют свойства как твердого, так и жидкого тела.
• Кристалл Вигнера : кристаллическая фаза с низкой плотностью электронов.
• 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.

• Фотонная молекула : фотоны, которые связаны друг с другом, притягиваются кажущейся массой и обеспечивают передачу энергии.

Высокоэнергетические состояния

• Вырожденная материя : материя под очень высоким давлением, подтверждаемая принципом исключения Паули .
  • Электронно-вырожденная материя : находится внутри белых карликовых звезд. Электроны остаются связанными с атомами, но могут переходить на соседние атомы.
  • Нейтронно-вырожденная материя : встречается в нейтронных звездах . Огромное гравитационное давление сжимает атомы так сильно, что электроны вынуждены объединяться с протонами через обратный бета-распад , что приводит к сверхплотному скоплению нейтронов. (Обычно свободные нейтроны вне атомного ядра распадаются с периодом полураспада чуть менее пятнадцати минут, но в нейтронной звезде, как и в ядре атома, другие эффекты стабилизируют нейтроны.)
  • Странная материя : Тип кварковой материи , которая может существовать внутри некоторых нейтронных звезд, близких к пределу Толмена–Оппенгеймера–Волкова (приблизительно 2–3 солнечных массы ). Может быть стабильной в более низких энергетических состояниях после формирования.
• Кварковая материя : гипотетические фазы материи, степени свободы которых включают кварки и глюоны.
  • Конденсат цветного стекла
  • Цветовая сверхпроводимость
  • Кварк-глюонная плазма : Фаза, в которой кварки становятся свободными и способны двигаться независимо (вместо того, чтобы быть вечно 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, которые передают сильное взаимодействие , связывающее кварки вместе). Может быть кратковременно достижима в ускорителях частиц или, возможно, внутри нейтронных звезд .
• В течение 10 ⁻³⁵ секунд после Большого взрыва плотность энергии Вселенной была настолько высока, что четыре силы природы — сильная , слабая , электромагнитная и гравитационная — считаются объединенными в одну единую силу. Состояние материи в это время неизвестно. По мере расширения Вселенной температура и плотность падали, а гравитационная сила разделялась, этот процесс называется нарушением симметрии .

Ссылки

1. А. Пиковер, Клиффорд (2011). «Плазма». Книга по физике . Стерлинг. стр. 248–249. ISBN 978-1-4027-7861-2.
2. Armitage, NP; Mele, EJ; Vishwanath, Ashvin (2018-01-22). "Weyl and Dirac semimetals in three-dimensional solids". Reviews of Modern Physics . 90 (1): 015001. arXiv : 1705.01111 . Bibcode : 2018RvMP...90a5001A. doi : 10.1103/RevModPhys.90.015001 .
3. Сато, Масатоши; Андо, Ёити (2017-07-01). "Топологические сверхпроводники: обзор". Reports on Progress in Physics . 80 (7): 076501. arXiv : 1608.03395 . Bibcode : 2017RPPh...80g6501S. doi : 10.1088/1361-6633/aa6ac7. ISSN  0034-4885. PMID  28367833. S2CID  3900155.
4. Имада, Масатоси; Фудзимори, Ацуси; Токура, Ёсинори (1998-10-01). «Переходы металл-изолятор». Reviews of Modern Physics . 70 (4): 1039–1263. Bibcode : 1998RvMP...70.1039I. doi : 10.1103/RevModPhys.70.1039.