新的發(fā)現促使物理學家就像尋寶一樣在努力尋找新的物質狀態(tài)
科技訊 北京時間4月3日消息，我們常見的物質有三種基本狀態(tài)，即固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。這是一個理解我們所處物理世界的簡單方法。當然，如果你還記得一點高中時的科學知識，你可能會想起物質的第四種狀態(tài)：等離子態(tài)。如果關注科學新聞，你可能還聽說過“玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)”。這就有五種物質狀態(tài)了。
那么，簡并態(tài)物質呢？還有拓撲超導體和時間晶體呢？沒錯，盡管我們在日常生活中不會遇到，但這些都是物質的合理狀態(tài)（或稱為“相”）。事實上，物理學家已經發(fā)現了許多物質狀態(tài)，很可能數以千計。與此同時，他們仍然一直在尋找新的物質狀態(tài)。據推測，我們或許可以發(fā)現數百萬種可能的物質狀態(tài)。
當然，最基本的三種物質狀態(tài)在很早以前就已為人熟知。到了19世紀下半葉，當電實驗首次產生等離子體時，科學家意識到，可能存在著更多新的物質狀態(tài)。玻色-愛因斯坦凝聚理論最早于1924年提出，之后我們對物理學的理解不斷擴展，很快就發(fā)現即使在日常生活中，物質的狀態(tài)也比原先認為的多得多。
對物理學家來說，冰箱上的磁鐵和冰箱本身是不同形式的物質。酒杯和放置它的木架子同樣代表了物質的兩種不同狀態(tài)。
物質的狀態(tài)只表明了原子或其他構成物質的粒子的排列方式，而不同的排列會產生不同的性質。例如，在固體中，分子排列成晶格結構，這就增加了材料的剛性。在液體中，分子間相互流動，但它們不能像在氣體中那樣輕易地相互靠近或遠離。在等離子體中，分子就像在氣體中一樣流動，但它們的電子可以自由移動，從而可以很容易地導電。
物質的分子和組成粒子有無數的排列方式。例如，在固體中，分子排列形成三維晶體結構的方式有230種，這些排列方式又稱為“空間組”。每一個空間組就代表了一種物質形式。根據電子的排列方式，這230個空間組中的每一個都可以是導體或絕緣體，這也使其成為不同形式的物質。
當溫度非常高或非常低，且壓力非常大的時候，正常物質會變形為各種性質奇特的狀態(tài)。例如，在中子星內部，原子核可能會被壓縮成一種“簡并態(tài)”物質，電子和質子被迫結合在一起形成中子，甚至進一步形成一種僅由基本粒子構成的夸克-膠子等離子體。在另一個極端，當分子溫度接近絕對零度時，量子力學開始在宏觀尺度上可見。當一堆原子被冷卻到接近絕對零度時，就會形成玻色-愛因斯坦凝聚，它們會表現得就好像是單個原子一樣。這賦予了這些原子獨特的性質，就像完全沒有黏性一樣。換句話說，你可以在其中制造出永遠旋轉的小漩渦。
荷蘭阿姆斯特丹大學凝聚態(tài)理論副教授賈斯帕·范·韋策爾（Jasper van Wezel）表示，我們之所以能不斷發(fā)現新的物質狀態(tài)，部分原因很簡單，因為有太多的物質有待發(fā)現。“原子、分子或任何你可以用來排列的東西都有這些特性，”他說，“而發(fā)現所有這些可能性只是時間問題。”
隨著技術的進步，我們也能夠在更極端的條件下進行實驗，而且精確度更高。例如，我們現在可以觀測到不同物質中的粒子有不同的自旋。自旋是粒子固有的特性，可以產生磁力。
“在20世紀50年代，你只需要測量磁化強度，然后說，‘看，這兩個東西都有磁性——我可以把它們都貼在冰箱上’，就這樣，”范·韋策爾說，“但現在我們有了深入物質內部的工具，可以觀察每一個粒子的自旋，我們可以說，‘看，它們都是有磁性的，但在這個東西中，有三分之一的自旋是相反的，而在那個東西中不是這樣，所以它們是不同的?！?/p>
利用這些新的發(fā)現，物理學家或許可以操縱這些自旋來創(chuàng)造出具有全新性質的物質。發(fā)現物質利用的多種可能性也是物理學家如此癡迷于發(fā)現新物質狀態(tài)的原因之一，新的相也因此令人倍感興奮。
“每次我們發(fā)現物質的新相，它都會給我們一系列以前任何物質相都無法比擬的特性，”美國萊斯大學物理系的助理教授卡登·哈澤德（Kaden Hazzard）說，“如果你擁有的只是液體，而有人遞給你一塊磚，突然間你就有了新的能力，可以抵擋過去所無法抵擋的東西?！?/p>
舉例來說，當一些材料被冷卻到非常低的溫度時，它們可以變成超導體，意味著它們可以零電阻地傳輸電流。如果將這一技術應用于商業(yè)領域，可以大大減小將電力輸送到家庭的輸電線損失，或者使計算機的工作效率大大提高。
最近發(fā)現的一種被稱為“拓撲超導體”的物質狀態(tài)，其內部就如同電絕緣體，但其邊緣則是導電的。這些獨特的性能可以用在量子計算機上，以保護存儲信息的脆弱量子位。
也有一些我們尚未發(fā)現，但物理學家認為應該存在的物質特性，這非常令人期待。例如，長期以來，室溫超導體一直被認為是凝聚態(tài)物理學的“圣杯”。這種材料將徹底改變我們用電的方式，從而將完全改變我們的未來生活。
物理學家們熱衷研究的另一類物質是量子自旋液體。在量子自旋液體中，粒子的自旋會相互影響，以一種意想不到的方式產生磁性。這類物質可能將推動我們開發(fā)出更好的量子計算機，甚至有助于創(chuàng)造室溫超導體。
物理學家有時并不一定要去尋找理論上應該存在的材料，而是應反其道而行之，去努力解釋一些新創(chuàng)造出來的物質，為何能表現出令人完全意想不到的作用方式?；蛟S最好的例子就是分數量子霍爾效應。想象一堆電子在一個二維材料的磁場中移動。與系統有關的電荷應該是e，即電子攜帶的電荷；但是，當科學家測量時，他們發(fā)現電荷卻正好是e除以3。
哈澤德說：“這讓實驗者大吃一驚，因為里面沒有任何東西的電荷低于e?！彼麑⒋吮茸饕欢雅_球扔到臺球桌上，看著它們落入袋中，但不知何故，這些移動的臺球重量只有正常重量的三分之一。
用臺球打比方聽起來很荒謬，但在量子層面上，情況就不一樣了?？茖W家發(fā)現，當電子一起運動時，它們的運動會使其表現得就像攜帶了實際電荷的三分之一。這也意味著，這些電子變成了一種全新的物質狀態(tài)。
類似的發(fā)現促使物理學家就像尋寶一樣在努力尋找新的物質狀態(tài)。在物理學定律中，肯定隱藏著更多意想不到的物質性質。當粒子以合適的方式排列，并與物理狀態(tài)融合形成新的物質實體，或許就能讓我們再一次擁有以前從未夢想過的能力。（任天）
