Zoo pełne gatunków - czy zwykła maskarada? Wszystkie znane i nieznane stany lub fazy materii
Zacznijmy jednak może od początku, czyli tradycyjnych definicji. Należy zarazem pamiętać zawsze o rozróżnieniu pomiędzy stanem skupienia a fazą. Stan skupienia materii, pojęcie pochodzące z XVII wieku, można definiować przez to w jaki sposób cząsteczki w danej substancji są połączone i jak się poruszają. W stałym objętość i kształt są w zasadzie zachowane, w ciekłym trudno zmienić objętość, a kształt łatwo - w otwartym naczyniu w polu grawitacyjnym tworzy się powierzchnia swobodna, w gazowym - substancja przyjmuje objętość i kształt naczynia, zajmuje całą dostępną przestrzeń, czyli nie tworzy powierzchni swobodnej. Występowanie większości substancji w danym stanie skupienia zależy od warunków termodynamicznych, czyli ciśnienia i temperatury, np. woda pod ciśnieniem normalnym w temperaturze poniżej 0°C jest ciałem stałym, w temperaturach od 0 do 100°C jest cieczą, a powyżej 100°C staje się gazem.
Faza materii, pojęcie traktowane jako bardziej precyzyjne niż termin - stan skupienia, określa natomiast jak substancja zachowuje się w danej temperaturze i ciśnieniu. Gdy rozróżnia się trzy podstawowe stany skupienia materii, ciecz, gaz i ciało stałe (1), dodając do tego współcześnie często plazmę, czyli materię zjonizowaną, fazy materii to różnorodny zwierzyniec. Fizycy odkryli, że substancje mogą zachowywać się w różny sposób w różnych warunkach, przy różnej temperaturze, ciśnieniu, składzie chemicznym, a także prędkości.
Na przykład, w przypadku ciał stałych, mamy do czynienia z fazami takimi jak krystaliczna, amorficzna i kompleksowa, które różnią się między innymi sposobem ułożenia atomów lub cząsteczek. Podobnie, w przypadku cieczy, istnieją różne fazy, takie jak ciecze skondensowane, ciecze nieskondensowane oraz np. ciecze skrystalizowane. W przypadku gazów, wyróżnia się fazy takie jak gaz skondensowany, gaz nieskondensowany i plazma, które różnią się między innymi gęstością, dyfuzją i prędkością cząstek. Wyróżnianie różnych faz materii ma uzasadnienie naukowe, ponieważ pozwala to na lepsze zrozumienie i opisanie zachowania sub-stancji w różnych warunkach. Obecnie zatem wyróżnia się ich całe mrowie.
Ponad dekadę temu, w artykule opublikowanym w 2012 r. w "Science", Xiao-Gang Wen opublikował swoją nową wersję klasyfikacji faz materii, których w jego zestawieniu było ok. pięćset. Praca jego zespołu, zatytułowana "Symmetry-Protected Topological Orders in Interacting Bosonic Systems", uznawana jest za przełom w dziedzinie badań nad materią, wytyczając nowe rozumienie faz.
Niektóre egzotyczne fazy nadal wymykają się naszemu zrozumieniu i opisowi. Jedne zostały zaobserwowane w laboratorium, a inne zidentyfikowane jako teoretyczne możliwości, modele lub symulacje komputerowe. Wiele z nich powstaje, gdy materia jest schłodzona do temperatury niemal zera absolutnego.
Można różnice definicyjne ująć i tak, że faza materii to forma materii, która ma jednolite właściwości chemiczne i fizyczne, zaś stan skupienia materii to forma materii w danej temperaturze i ciśnieniu. Stan materii może, ale nie musi mieć jednolitych właściwości. Faza materii to substancja jednym stanie fazowym, zaś w stanie może występować kilka faz. Z drugiej strony współczesna fizyka przyjmuje w sensie najogólniejszym dwa typy faz - ciekły (płynny) i stały. Faza gazowa w tym ujęciu jest jednym z przypadków fazy ciekłej, do której należą również różne rodzaje plazmy i np. tzw. faza nadciekła oraz szereg innych form materii. Fazami stałymi są różne formy krystaliczne, ale również amorficzna.
Substancja może zmieniać swój stan fazowy. Na przykład, zmieniając temperaturę wody, można przekształcić fazę ciekłą wody w fazę gazową wody, czyli parę. Takie zjawisko nazywamy przejściem fazowym. Istnieje osiem procesów termicznych (2), przez które materiał może uzyskać przemianę fazową w różnych warunkach temperatury i ciśnienia. Są to topnienie (zmiana z fazy stałej na ciekłą), zamrażanie (zmiana substancji z fazy ciekłej na stałą), parowanie (zmiana z cieczy na formę gazową), kondensacja (zmiana z gazu na formę ciekłą), sublimacja (zmiana z fazy stałej na gazową bez przejścia przez fazę ciekłą), osadzanie (zmiana z gazu na stałą bez przejścia przez fazę ciekłą), jonizacja (zmiana z fazy gazowej na plazmę) i rekombinacja (zmiana z plazmy na gaz).
Diagram fazowy wody (3) obrazuje fazę stałą, ciekłą i gazową (parową), punkt potrójny wody, czyli temperaturę i ciśnienie, w których woda może istnieć we wszystkich trzech fazach jednocześnie w stanie równowagi i punkt krytyczny wody, czyli temperaturę, powyżej której nie występuje faza ciekła, a substancja ta występuje tylko w stanie gazowym.
Kilka faz na raz
Kwestię stanów/faz komplikuje fakt, iż niektóre substancje w identycznych warunkach mogą występować w różnych stanach skupienia w zależności od tego, w jakim stanie były przed zmianą warunków (przechłodzenie, przegrzanie). Substancja przechłodzona lub przegrzana może samorzutnie przejść do innego stanu skupienia. Różne fazy danej substancji mogą również współistnieć w tych samych warunkach, np. układ ciecz-para.
Zmiana fazy materii (przejście fazowe) może wymagać dostarczenia lub odebrania energii. Wówczas ilość przepływającej energii (ciepła) jest proporcjonalna do masy substancji zmieniającej fazę. Aby odzwierciedlić złożony charakter zjawisk podczas przemian fazowych wprowadza się kolejne pojęcie - faza termodynamiczna, rozumiane jako jednolita część układu fizycznego, oddzielona od innych powierzchniami międzyfazowymi, zwanymi granicami fazowymi, na których zachodzi skokowa zmiana właściwości fizycznych lub chemicznych (4). Najprostszym przykładem odrębnych faz są jednorodne ciała będące w różnych stanach skupienia (np. woda i lód, woda i para wodna).
Kiedy materia przechodzi przemianę fazową, ciepło jest albo absorbowane, albo uwalniane. Ten proces nazywa się przepływem ciepła i może wystąpić w trzech formach - przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Przepływ ciepła składa się z procesów latentnych i względnych. Latentny przepływ ciepła to zjawisko, w którym zmiana fazy ma miejsce bez zmiany temperatury wewnętrznej. Jako przykład latentnego przepływu ciepła, rozważmy szklankę wypełnioną kostkami lodu. Kostki lodu otrzymują energię cieplną np. ze słońca i w rezultacie zaczynają zmieniać swoją fazę z stałej na ciekłą. Temperatura lodu pozostanie na 0°C aż do momentu, aż wszystko lodu się roztopi. Natomiast w przepływie ciepła względnym, zmiana fazy nie ma miejsca, ale temperatura wewnętrzna się zmienia. Gdy np. słońce ogrzewa szklankę wody, woda absorbuje energię cieplną, ale nie zmienia swojej fazy. Jednak woda osiąga wyższą temperaturę, gdy jest dodawane ciepło.
W ciele stałym występuje więcej niż jedna faza termodynamiczna, gdy istnieje w nim jednocześnie więcej niż jedna forma krystaliczna lub są w nim obszary różniące się parametrami termodynamicznymi, ruchliwością cząsteczek lub stopniem ich uporządkowania, składa się ono z dwóch lub więcej związków chemicznych, które się z sobą nie mieszają lub rozdzieliły się w wyniku jakiegoś procesu fizycznego. W cieczy mogą współistnieć różne ciekłe fazy termodynamiczne w sytuacjach, w których tworzy ona mieszaninę dwóch lub więcej cieczy, które się z sobą nie mieszają (przy częściowej mieszalności każda faza może składać się z więcej niż jednej cieczy), lub stanowi roztwór dwóch lub więcej związków chemicznych, ale o różnych proporcjach składników w oddzielnych fazach (wówczas zachodzą kombinacje układów). Jako przykład układu wielofazowego można podać przesycony roztwór trzech związków chemicznych w obecności par cieczy w powietrzu nad roztworem, który składa się z pięciu faz, trzech stałych, jednej ciekłej i jednej gazowej. Egzotycznym przykładem skomplikowanych układów fazowych są ciekłe kryształy, zdolne do generowania wielu różnych faz wskutek różnego uporządkowania tworzących je cząsteczek. W gazach nigdy nie występują fazy termodynamiczne, gdyż wszystkie gazy mieszają się z sobą w dowolnych proporcjach, tworząc roztwór właściwy.
W fizyce przyjmuje się, że dana substancja istnieje w dwóch różnych fazach, gdy zmieniając ciśnienie lub temperaturę, obserwuje się w pewnym momencie przemianę fazową; przemiana ta musi się wiązać z mierzalną skokową zmianą entropii układu, wskazującą na to, że doszło do zasadniczego jakościowego przeorganizowania się cząsteczek lub ta sama substancja występująca naraz w dwóch fazach nie miesza się ze sobą, tworząc granicę międzyfazową. Niektóre przemiany fazowe przebiegają bez dostarczenia lub odebrania energii a o zmianie fazy wnioskujemy na podstawie skokowej zmiany niektórych wielkości opisujących to ciało. Opisem procesów zmian pomiędzy fazami zajmuje się teoria przejść fazowych, zwana także czasem teorią zjawisk krytycznych.
Nadciekłość i nadstałość
Według uogólnionego podziału, o którym wspominaliśmy, przyjmowane w fizyce fazy płynny (zarówno ciecze jak i gazy), to takie, które płyną, gdy poddaje się je siłom ścinającym. Przykładem jest plazma kwarkowa, hipotetyczna faza materii występująca, gdy ciśnienie jest na tyle duże, że w plazmie neutronowej przestają istnieć neutrony jako oddzielne cząstki, zlewając się w jedną fazę z kwarków. Występuje to w gwiazdach dziwnych, o gęstości większej od gęstości gwiazd neutronowych.
Inną fazą płynną jest plazma neutronowa, czyli w zasadzie gaz, jednak składający się głównie z neutronów. Z plazmy tej zbudowane są wspomniane gwiazdy neutronowe. Kolejną fazą w tej płynnej kategorii jest plazma (bezprzymiotnikowa), czyli gaz tworzony przez zjonizowane atomy/cząsteczki oraz elektrony. W plazmie cząsteczki mają na tyle dużą energię, że zderzenia między cząsteczkami nie są sprężyste, dochodzi do wzbudzenia lub jonizacji cząsteczek. Plazma przewodzi prąd elektryczny. W zwykłej fazie gazowej występuje całkowity brak organizacji. Cząsteczki (lub atomy) mają pełną swobodę ruchu i nie występują między nimi żadne oddziaływania oprócz odpychania w momencie zderzeń i przyciągania grawitacyjnego. Energia cząsteczek nie jest zbyt duża i dlatego ich zderzenia są sprężyste. W gazie mogą występować przyciągania między cząsteczkami, lecz energia tych oddziaływań jest mniejsza od energii kinetycznej cząsteczek.
Należąca w sensie ogólnym do faz płynnych faza ciekła definiowana jest w ten sposób, że przyciąganie międzycząsteczkowe powoduje w niej, że cząsteczki pozostają blisko siebie, ale zachowują swobodę ruchu, oddziaływania te tworzą bliskozasięgowe i średniozasięgowe uporządkowanie w cieczy lub w roztworach. Podobnie jak fazy gazowe mają swoje "pochodne" faza ciekła stanowi punkt odniesienia dla fazy nadciekłej, która różni się od zwykłej cieczy tym, że jej lepkość jest równa 0. Tworzą ją substancje, które są w stanie utworzyć kondensat Bosego-Einsteina lub kondensat fermionowy. Układy nadciekłe zbliżone są do zwykłych cieczy, ale ruchy atomów wykonywane są kolektywnie.
Substancje w tej fazie mogą wypełzać z naczynia po jego ściankach i wykazują ciekawe właściwości akustyczne. Znane przykłady układów nadciekłych to Hel-4 w temperaturze poniżej 2,1768 K oraz Hel-3 temperaturze poniżej 0,0026 K (5). Faza naciekła ma również nieskończone przewodnictwo cieplne, co oznacza, że nie ma zróżnicowania temperatury w objętości. Odrębną fazą ciekłą są wspomniane ciekłe kryształy, w których zachodzi częściowe dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek. Obecnie znanych jest kilkadziesiąt faz ciekłokrystalicznych, które różnią się rodzajem dalekozasięgowego uporządkowania.
Fazy stałe to fazy, które nie płyną, tzn. pod wpływem sił ścinających ulegają naprężeniom. To np. faza krystaliczna, gdzie cząsteczki są dobrze zlokalizowane i tworzą trwałe sieci. Należą do nich również kryształy plastyczne - w fazie tej cząsteczki są zablokowane, ale mogą rotować (obracać się) wokół własnych osi. Mniej znane są kryształy condis, których cząsteczki nie mogą się przemieszczać, ale mogą zmieniać w dość szerokim zakresie swój układ przestrzenny. Jest w końcu faza stała amorficzna, w której cząsteczki nie tworzą sieci krystalicznej, ale oddziaływania między nimi są na tyle silne, że nie mogą się one swobodnie przemieszczać względem siebie. Czasami fazę amorficzną nazywa się też superlepką cieczą lub cieczą zamrożoną.
Kilka lat temu media obiegła informacja, że "powstała forma materii", którą można by nazwać ciałem "nadstałym" ("supersolidem"). To co uzyskano w laboratoriach Massachusetts Institute of Technology to swoista sprzeczność, która łączy właściwości ciał stałych i cieczy o zerowej lepkości. Według publikacji w "Nature", zespół Wolfganga Ketterle, profesora fizyki na MIT i laureata Nagrody Nobla z 2001 roku manipulował ruchem atomów w stanie nadpłynnym w fazie materii nazywanej kondensatem Bosego-Einsteina (BEC). "Wyzwanie polegało na dodaniu do BEC czegoś, co miało sprawić, że rozwinie się w formę wykraczającą poza obręb ‘pułapki atomowej’ i nabierze cech charakterystycznych dla bryły", wyjaśniał eksperymenty Ketterle. Do manipulowania ruchem atomów BEC zespół naukowy wykorzystywał wiązki laserowe w komorze ultrawysokiej próżni. Doszło do przekształcenia połowy atomów BEC w inną fazę spinową lub kwantową, czyli powstały dwa rodzaje kondensatu. Przenoszenie atomów pomiędzy dwoma kondensatami za pomocą dodatkowych wiązek lasera powodowało zmiany spinu. Powstała w ten sposób materia, według przewidywań fizyków, musiała być "nadstała" (6). Uczeni uważają, że nowa faza materii może doprowadzić do powstania nowej generacji nadprzewodników.
w miarę obniżania temperatury
Kondensaty dodane do cieczy spinowych
Doniesienia o nowych "stanach skupienia" lub fazach materiałów to stały repertuar wiadomości naukowych w ostatnich latach. Przy czym klasyfikowanie kolejnych nowych odkryć nie zawsze jest proste. Opisywane wcześniej ciało "nadstałe" to chyba faza stała, ale być może fizycy mają na ten temat inne zdanie. Kilka lat temu w laboratorium Uniwersytetu stanowego w Kolorado stworzono np. z cząsteczek arsenku galu dropleton, trochę ciecz, trochę ciało stałe. W 2015 międzynarodowy zespół uczonych, kierowany przez chemika Kosmasa Prassidesa z Tokohu University w Japonii, ogłosił odkrycie nowego stanu materii będącej kombinacją właściwości izolatora, nadprzewodnika, metalu i magnetyka, nazywając ją "metalem Jahna-Tellera".
Pojawiają się nietypowe, "hybrydowe" stany skupienia. Niekoniecznie są to rzeczy nowe, np. znane od wieków szkło nie ma struktury krystalicznej, stąd jest czasem klasyfikowane jako ciecz "przechłodzona". Termodynamicznie szkło jest w stanie metastabilnym w stosunku do swojego krystalicznego odpowiednika. Stopień przemiany jest jednak praktycznie zerowy. Są też wspominane ciekłe kryształy, substancja o nazwie "silly putty", czyli polimer silikonowy, plastyczny, sprężysty lub nawet kruchy, w zależności od szybkości deformacji, superlepka, samoprzelewająca się ciecz - raz rozpoczęte przelewanie będzie trwało tak długo, dopóki nie wyczerpie się zasób cieczy, nitinol - stop niklu i tytanu wykazujący pamięć kształtu - zgięty, wyprostuje się w strumieniu ciepłego powietrza lub w cieczy.
To tylko przykłady wybrane "na wyrywki". Klasyfikacja coraz bardziej się komplikuje. Współczesne technologie zacierają granice między fazami. Dochodzą nowe odkrycia. Nobliści z 2016 r., David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane, J. Michael Kosterlitz, połączyli dwa światy - materii, będącej przedmiotem badań fizyki i topologii, będącej działem matematyki. Zdali sobie sprawę, że istnieją inne niż tradycyjne przejścia fazowe związane z defektami topologicznymi oraz inne niż tradycyjne fazy materii - fazy topologiczne, o który piszemy szerzej w dalszej części raportu. Spowodowało to lawinę prac doświadczalnych i teoretycznych - ta lawina ciągle płynie bardzo wartkim strumieniem.
Niektórzy traktują nowe, dwuwymiarowe materiały jako nowy, odmienny, stan materii. Zaliczają się do tej kategorii nanosieci, fosforen, stanenen, borofen, czy w końcu najbardziej znany, grafen. Wspominani nobliści zajmowali się m.in. analizą topologiczną właśnie tych jednowarstwowych materiałów.
Ale to dopiero początek zwiedzania ZOO faktycznych i postulowanych faz materii. Idźmy dalej, np. do kwantowej cieczy spinowej, QSL (7), stanu nieuporządkowanego w układzie oddziałujących spinów kwantowych, który w przeciwieństwie do innych stanów nieuporządkowanych zachowuje swój nieporządek w zakresie bardzo niskich temperatur. Nie jest to ciecz w sensie fizycznym, ale ciało stałe, którego porządek magnetyczny jest z natury nieuporządkowany. Nazwa "ciecz" wynika z analogii do nieuporządkowania molekularnego w konwencjonalnej cieczy.
W 1924 roku Albert Einstein i Satyendra Nath Bose przewidzieli wzmiankowany już "kondensat Bosego-Einsteina", czasami określany jako "piąty stan materii". BEC może wystąpić, gdy atomy mają podobne poziomy kwantowe, w temperaturze bliskiej zeru absolutnemu (–273,15°C). Materia w tej fazie przestaje zachowywać się jak niezależne cząstki i rozpada się na pojedynczy stan kwantowy, który można opisać za pomocą jednolitej funkcji falowej. Kondensat Bosego-Einsteina przez wiele lat pozostawał niezweryfikowanym postulatem teoretycznym. W 1995 roku grupy badawcze Erica Cornella i Carla Wiemana z JILA na Uniwersytecie Kolorado w Boulder wytworzyły eksperymentalnie pierwszą próbkę takiego kondensatu.
Kondensat fermionowy ma cechy podobne do kondensatu Bosego-Einsteina, ale złożony jest z fermionów, cząstek elementarnych materii z niecałkowitym spinem różniących się od bozonów przenoszących oddziaływania. Zasada wykluczenia Pauliego uniemożliwia fermionom wejście w ten sam stan kwantowy, ale para fermionów może zachowywać się jak bozon, a wiele takich par może wtedy wejść w ten sam stan kwantowy bez ograniczeń. Kondensaty fermionowe wymagają niższych temperatur niż kondensaty Bosego-Einsteina, zarazem zachowując się jak nadciecz.
W 2003 roku stworzono pierwszy atomowy kondensat fermionowy, wykorzystując silne pole magnetyczne i ultraniskie temperatury, poniżej 50 nanokelwinów. Nie wyklucza się, że neutrina lub ciemna materia w jakichś miejscach we Wszechświecie łączą się, tworząc tego typu kondensaty, co oznaczałoby, że największe tajemnice kosmosu mogą mieć związek z tą egzotyczną fazą materii.
Wśród innych metastabilnych stanów plazmy są kondensaty wzbudzonych atomów, zwane materią Rydberga. Atomy te mogą również zamieniać się w jony i elektrony, jeśli osiągną określoną temperaturę. W kwietniu 2009 roku "Nature" doniosło o stworzeniu cząsteczek Rydberga z atomu Rydberga i atomu stanu podstawowego, potwierdzając, że taki stan materii może istnieć. Eksperyment został przeprowadzony przy użyciu ultrazimnych atomów rubidu.
Inny mieszkaniec tego ZOO to materia fotonowa, czyli zjawisko, w którym fotony oddziałujące z gazem rozwijają pozorną masę i mogą oddziaływać ze sobą, tworząc nawet fotonowe "cząsteczki". Zupełnie inaczej niż fotony poruszające się w pustej przestrzeni, które nie mają masy spoczynkowej i nie mogą oddziaływać. Materia zdegenerowana wiąże się z kolei z nietypowymi zachowania innych cząstek. W odmianie elektronowej takiej materii elektrony pozostają związane z atomami, ale są w stanie przenosić się na sąsiednie atomy. Uważa się, że występuje we wnętrzu białych karłów. Materia zdegenerowana neutronowo znajduje się w gwiazdach neutronowych. Ogromne ciśnienie grawitacyjne ściska tam atomy tak silnie, że elektrony są zmuszone do łączenia się z protonami poprzez odwrotny rozpad beta, w wyniku czego powstaje supergęsty kondensat neutronów.
W zwykłej zimnej materii kwarki są wiązane przez oddziaływanie silne w hadronach, składających się z kwarków, czyli w protonach i neutronach. Materia kwarkowa lub kwantowa materia chromodynamiczna (QCD) to grupa faz, w których oddziaływanie silne zostaje przezwyciężone, a kwarki są zdekoncentrowane i mogą się swobodnie poruszać. Fazy materii kwarkowej występują przy ekstremalnie wysokich gęstościach lub temperaturach i nie są znane sposoby ich wytwarzania w laboratorium. W zwykłych warunkach każda utworzona materia kwarkowa natychmiast ulega rozpadowi radioaktywnemu. Wewnątrz niektórych gwiazd neutronowych bliskich granicy Tolmana-Oppenheimera-Volkoffa (około 2–3 mas Słońca), podejrzewa się występowanie materii kwarkowej dziwnej (składającej się z kwarków dziwnych) choć nie ma bezpośrednich dowodów na jej istnienie.
Dobrze znaną z badań w dziedzinie fizyki, choć wciąż egzotyczną, fazą materii jest plazma kwarkowo-gluonowa jest fazą o bardzo wysokiej temperaturze, w której kwarki stają się wolne i mogą poruszać się niezależnie, zamiast być wiecznie związane w cząstki, w morzu gluonów, cząstek subatomowych, które przy niższych energiach przenoszą oddziaływanie silne wiążące kwarki ze sobą. Podobnie jak wspominany BEC także plazma kwarkowo-gluonowa (8) bywa nazywana piątym stanem materii. Stan ten jest osiągany eksperymentalnie na bardzo krótki moment w wysokoenergetycznych zderzeniach ciężkich jonów w akceleratorach cząstek. Po raz pierwszy osiągnięto to w CERN w 2000 roku. Przez pierwszą mikrosekundę istnienia Wszechświata po rozpoczęciu gorącego Wielkiego Wybuchu nie było protonów i neutronów, lecz jedynie plazma kwarkowo-gluonowa, ściśle sprzężona ze wszystkimi innymi formami materii, antymaterii i promieniowania, które wówczas istniały.
Topologiczna brama do rozmaitości
Ostatnie dekady to wkroczenie do świata nauki o stanach i fazach materii nowej dziedziny badań - topologii. Już w 1989 roku wspominany Xiao-Gang Wen zaczął mówić o zupełnie nowych fazach, np. o ułamkowych kwantowych stanach Halla powstających nie na płaszczyźnie, ale na różnych topologicznych obiektach, takich jak powierzchnia kuli lub torusa (9).
w topologicznym stanie materii
Topologia w matematyce to dział zajmujący się badaniem własności, które nie ulegają zmianie nawet po radykalnym zdeformowaniu obiektów (figur geometrycznych, brył i obiektów o większej liczbie wymiarów). Własności takie nazywa się niezmiennikami topologicznymi, przy czym przez deformowanie rozumie się tutaj dowolne odkształcanie (zginanie, rozciąganie, skręcanie), ale bez rozrywania różnych części lub zlepiania różnych punktów. Z punktu widzenia topologa, można zmienić pączka z otworem w środku, czyli donuta, w topologicznie równoważną z nim filiżankę do kawy, deformując po prostu jego powierzchnię, ponieważ obie powierzchnie mają jeden otwór. Inaczej niż np. donut i precel, choć intuicja może mówić co innego, gdyż różnią się liczba otworów, czyli nie są topologicznym przekształceniem jednego w drugi.
Wraz z odkrywaniem kolejnych, coraz bardziej egzotycznych faz, tak wielu, że badacze mówią, że ledwo nadążają, stało się jasne, że topologia, wraz z symetrią, oferuje dobry schemat organizacyjny w tym ZOO. Fazy topologiczne pojawiają się w pobliżu zera bezwzględnego, ponieważ tylko w tak niskich temperaturach układy cząstek mogą przejść do najniższej energii, kwantowego "stanu podstawowego". W stanie podstawowym delikatne oddziaływania łączą cząstki w globalne wzory splątania kwantowego. Cząstki stają się składnikami funkcji, która opisuje je wszystkie naraz, przy czym jako wzbudzenia fazy globalnej pojawiają się nowe cząstki. Powstające wzorce splątania dalekiego zasięgu mają charakter topologiczny, czyli niewrażliwy na lokalne zmiany.
Liczba znanych topologicznych faz materii ciągle rośnie. Jeszcze więcej proponuje się w teorii, jednak nie wszystkie udaje się potwierdzić eksperymentalnie. W 2005 roku, Charles Kane i Eugene Mele ujawnili istnienie topologicznych izolatorów, które mogą przewodzić prąd tylko po krawędziach, a nie wewnątrz substancji. To odkrycie było pierwszym przykładem topologicznej fazy materii i stało się podstawą dalszych badań w tej dziedzinie. W 2008 roku, Shoucheng Zhang i jego współpracownicy opublikowali pracę, w której proponowali istnienie topologicznych superizolatorów, które są całkowicie odporne na zakłócenia. To odkrycie uważa się za ważny krok w kierunku rozwoju odpornych na awarie komputerów kwantowych. W 2015 roku, zespół naukowców pod kierunkiem N.P. Armitage odkrył topologiczne fazy materii o nazwie - topologiczny półmetal Weyla. Kolejne półmetale topologiczne odkrywano w kolejnych latach. W 2020 roku, zespół naukowców pod kierunkiem Liang Fu odkrył topologiczne fazy nadprzewodzące.
Odkrycie topologicznych faz materii stanowiło przełom w fizyce materii skondensowanej, prowadzący do powstania nowego opisu ciała stałego. Ponadto, niewrażliwość tych faz na zaburzenia, zakłócenia, czyni je potencjalnie użytecznymi w wielu zastosowaniach, w tym na przykład w informatyce kwantowej.
Fizyka materii skondensowanej, gałąź fizyki zajmująca się odkrywaniem i opisem faz, tradycyjnie klasyfikowała je według sposobu, w jaki ułożone są podstawowe bloki budulcowe, zwykle atomy. Kluczem jest coś, co nazywa się symetrią. Ciecze są symetryczne w wysokim stopniu. Krystaliczny lód, stała faza wody, cechuje wiele symetrii, ale fizycy powiedzieliby, że wysoka symetria ciekłej wody jest w lodzie złamana. Klasyfikacja faz materii poprzez opisanie ich symetrii oraz gdzie i jak te symetrie się łamią jest znana jako paradygmat Landaua.
Począwszy od lat 80. XX wieku badacze materii skondensowanej, w tym Xiao-Gang Wen, badali nowe układy kwantowe, w których istniało wiele stanów podstawowych o tej samej symetrii. Wen zauważył, że te nowe stany zawierają nowy rodzaj porządku, porządek topologiczny, który jest zjawiskiem z zakresu mechaniki kwantowej, nie jest związany z symetrią stanu podstawowego, ale z globalnymi własnościami funkcji falowej stanu podstawowego. Dlatego wykracza poza paradygmat Landaua, który opiera się na pojęciach fizyki klasycznej. Porządek topologiczny to bardziej ogólne rozumienie faz kwantowych i przejść między nimi.
W nowych ramach fazy materii zostały opisane nie przez wzory symetrii w stanie podstawowym, ale przez wzory kwantowej własności - splątania. Kiedy dwie cząstki są splątane, pewne pomiary wykonane na jednej z nich natychmiast wpływają na drugą, niezależnie od tego, jak daleko od siebie znajdują się cząstki. Wzory takich efektów kwantowych, w przeciwieństwie do wzorów pozycji atomów, nie mogły być opisane przez ich symetrie.
Ten bardziej ogólny opis materii opracowany przez Wena i współpracowników miał ogromny potencjał, ale nadal kilka znanych faz, nie pasowały. Między innymi istniał zestaw krótkodystansowych faz splątanych, które nie łamały symetrii, niektóre topologiczne nadprzewodniki i topologiczne izolatory, które są przedmiotem powszechnego zainteresowania, ponieważ obiecują zastosowanie w nadchodzącej pierwszej generacji elektroniki kwantowej.
Kod Haah otwiera drzwi do…
Jedna z matematycznie możliwych topologicznych faz zaszokowała ekspertów. Jej model zawiera dziwne, podobne do cząstek "fraktony", które łączą się ze sobą we fraktalne wzory na poziomie trójwymiarowym (w świecie faz topologicznych wyróżnia się poziomy od jednowymiarowego, przez dwuwymiarowe, po 3D).
Absolwent Caltech o nazwisku Jeongwan Haah, podczas komputerowych poszukiwań "kodu marzeń" dla kwantowego stanu podstawowego o takiej trwałości, że można go użyć do bezpiecznego przechowywania pamięci kwantowej, nawet w temperaturze pokojowej, odkrył fazę materii, którą nazwano "kodem Haah". Zawiera on cząstkowe jednostki, fraktony, które, w przeciwieństwie do wzorów pętli w np. kwantowej cieczy spinowej, nie są płynne. Mogą tylko przeskakiwać między pozycjami w sieci, jeśli te pozycje są obsługiwane we wzorze fraktalnym. Oznacza to, że trzeba dodać energii do systemu w każdym rogu, powiedzmy, czworościanu łączącego cztery fraktony, aby zmusić je do zmiany pozycji.
Kiedy jednak powiększamy układ, widzimy, że to, co traktowaliśmy jako punkt w narożniku czworościanu, jest w rzeczywistości czterema rogami mniejszego czworościanu, i znów potrzeba energii do zmiany pozycji. W drobniejszej skali widzimy jeszcze mniejszy czworościan i tak dalej, aż do najdrobniejszej skali siatki. Fraktalny charakter oznacza, że kod Haah nigdy nie zapomina o podstawowej sieci, z której pochodzi. Co więcej, liczba stanów podstawowych w kodzie Haaha rośnie wraz z rozmiarem siatki, z której pochodzi. Haah w 2015 roku wraz z dwoma współpracownikami z MIT odkrył wiele przykładów klasy faz znanych obecnie jako "modele fraktonowe", które są prostszymi kuzynami kodu Haaha. Eksperci twierdzą, że możliwa do zrealizowania wersja kodu miałaby ogromne znaczenie technologiczne.
Kod Haah jest stosunkowo prosty na początku rozważań. To rozwiązanie dwuelementowej formuły energetycznej, opisującej spiny, które oddziałują ze swoimi ośmioma najbliższymi sąsiadami w sześciennej siatce. Ale powstała faza otwiera drzwi do niezwykłych możliwości, ze stabilnymi kubitami, "nie do ruszenia", gdyż do przemieszczania fraktonów potrzebne są niewyobrażalnie wielkie ilości energii.
Także badane dopiero od kilku lat kryształy czasowe są uważane za topologiczne fazy materii, ponieważ ich właściwości są oparte na topologicznych właściwościach przestrzeni fazowej. Naukowcy nadal starają się zrozumieć i opisać te fazy materii. Rozszerza pojęcie kryształu na czwarty wymiar. Ideę tę zaproponował noblista Frank Wilczek w roku 2012. Rozmyślał nad pierścieniem utworzonym z cząsteczek, który rotuje, tworząc w ten sposób czasowy kryształ (periodycznie w czasie, co obrót, kryształ jest w tym samym stanie w przestrzeni). Jako że kryształ musi kręcić się bez końca, to system nie może wypromieniowywać swojej rotacyjnej energii, w innym wypadku kryształ straciłby szybko energię i przestał się kręcić (więc wtedy by nie był kryształem czterowymiarowym). W 2016 roku dwa zespoły naukowców opublikowały niezależnie doniesienia o zaobserwowaniu kwantowych kryształów czasowych.
Oczekuje się, że odkrycia w tej dziedzinie mogą przyczynić się do rozwoju nowych technologii, takich jak komputery kwantowe czy nowe sposoby kontrolowania fal elektromagnetycznych. Jeśli chodzi o zastosowania praktyczne, topologia kryształów czasowych może być wykorzystywana w różnych dziedzinach, takich jak przemysł elektroniczny, optyczny czy magnetyczny. Może to pozwolić na rozwój nowych technik, np. nowych typów tranzystorów czy komponentów magnetycznych o większej wydajności. Innym możliwym zastosowaniem kryształów czasowych jest wykorzystanie ich w komunikacji bezprzewodowej. Pozwala ona na przesyłanie informacji za pomocą fal o oscylacjach nie symetrycznych względem czasu, co może prowadzić do rozwoju nowych, bardziej odpornych na zakłócenia metod przesyłania danych.
Co się kryje to setkami masek?
Pełna klasyfikacja mogłaby doprowadzić do po-wstania wielu nowych materiałów i rozwiązań technicznych. Różne teorie przewidują nowe fazy stany materii przy bardzo wysokich energiach. Na przykład uważa się, że jakaś enigmatyczna forma materii wytworzyła asymetrię barionową we wszechświecie, ale niewiele o niej wiadomo. W teorii strun przewiduje się temperaturę Hagedorna dla superstrun przy około 1,7×1012 K, którą nazwać można "punktem wrzenia" materii hadronowej, i momentem, w którym powstają nowe struny, W temperaturze Plancka (1,42×1032 K) grawitacja staje się znaczącą siłą działającą na cząstki. Nauka nie umie na razie opisać tych stanów i nie można możliwych w tych warunkach faz(?) ich wytworzyć za pomocą żadnego dającego się zaprojektować eksperymentu. Jednak stany te są ważne w kosmologii, ponieważ Wszechświat mógł przez te "fazy" przejść po lub trakcie Wielkiego Wybuchu.
Za fazę materii nie uznaje się grawitacyjnej osobliwości, której istnienie w centrum czarnej dziury przewiduje ogólna teoria względności. Nie jest w ogóle obiektem materialnym (choć masa-energia materii przyczyniła się do jej powstania), lecz raczej własnością czasoprzestrzeni. Ponieważ czasoprzestrzeń ulega tam zakrzywieniu, o osobliwości nie należy myśleć jako o zlokalizowanej strukturze, ale jako o globalnej, topologicznej właściwości czasoprzestrzeni. W niektórych teoretycznych rozważaniach nie traktuje się cząstek elementarnych jako czegoś materialnego, ale jako zlokalizowane właściwości czasoprzestrzeni. Ponieważ fazy są opisywane przez określone stany i zachowania cząstek, wydaje się, że nie można oderwać nauki o fazach materii od natury czasoprzestrzeni, przynajmniej, jeśli przyjmie się takie podejście. W grawitacji kwantowej osobliwości mogą w rzeczywistości oznaczać przejścia do nowej fazy materii.
Są badacze tacy jak Xiao-Gang Wen z Massachusetts Institute of Technology, którzy mówią fazach "wyłaniających się" (emergentnych) z sieci splątanych bitów informacji kwantowej. Wen używa określenia "ocean kubitów", z którego wyłaniają się cząstki i fazy. Na przykład faza zwana "stringnet liquid" (ang. "ciecz oparta na sieci strun"), która może pojawić się w trójwymiarowym systemie kubitów, ma wzbudzenia, które wyglądają jak wszystkie znane cząstki elementarne, będące być może jedynie fluktuacjami sieci strun (w rozumieniu fizycznej teorii strun).
Skoro cząstki mają być jedynie wibracjami bardziej fundamentalnego świata strun, czy jakkolwiek inaczej to nazwiemy, to być może i cały nasz ogród zoologiczny stanów i faz materii sprowadza się do różnych masek, które zostały nałożone na ten sam gatunek. Bo tylko jeden w rzeczywistości istnieje.
Mirosław Usidus
