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科学家发现新物质形态

2019-04-10 18:35 主页 来源:未知



科学家发现新物质形态


当向试管中投入一小粒金属钾后,这颗金属钠会剧烈地移动——熔化,嘶嘶作响,甚至跳跃,变成氢气泡和氢氧化钾。科学家证实,在适当的压力和温度下,这种金属可以同时保持固体和液体状态。“这有点奇怪,”该研究的合作者、爱丁堡大学的Andreas Hermann说。

固体、液体、气体……其它状态?虽然大多数人小学时只知道物质的三种状态,但物理学家已经发现了几种可在极端的温度和压力条件下存在的奇异物质状态。

最近,一个研究团队使用一种人工智能证实了一种新物质状态的存在。在这种状态下,钾原子同时表现出固态和液态的特性。如果你能找到一大块这类物质,它可能看起来就像一个渗漏熔融钾的固体块,最终全部溶解。

“这就像是拿着一块滴水的海绵,而海绵也是水做的,”研究合作者、爱丁堡大学的凝聚态物理者Andreas Hermann说,其研究团队在本周的《美国国家科学院院刊》上介绍了新研究。

在地幔的天然条件下,可能会存在这种异常状态的钾,但这种元素通常不是以单质形式存在,而是与其他物质结合在一起。类似的模拟研究可以帮助科学家探索其他矿物质在这种极端环境下的行为特征。

渗漏的晶体

在微观层面,像钾这样的金属,其原子排列特征显而易见。当被打造成一根固体棒时,钾原子会排列成排,很容易导热和导电。很长一段时间以来,研究人员认为他们可以很轻易地预测这些晶体结构在巨大压力下会发生什么变化。

不过,大约15年前,科学家们发现钠(一种与钾性质相似的金属)在被压缩时出现了一些奇怪的变化。在两万个地球表面气压下,钠从银白色的固体变成了一种透明的物质,这种物质不仅不导电,反而会阻止电流流动。科学家通过x射线探测钠后发现,其原子组成了复杂的晶体结构,而不是单一的晶体结构。

科学家对钾也进行了大量实验研究。在类似的极限压力下,钾的原子会排列成一种复杂的形态——5个柱形管构成的X形,其中4条长链位于X形的弯曲部分,看起来就像两个独立的、互不交织的物质。

“不知道什么原因,这些钾原子组合成了两个结构松散的亚晶格,”Hermann说。不过,当科学家提高温度后,x射线像显示四个链消失了,研究人员对究竟是怎么回事进行了争论。

为了寻找答案,Hermann和同事们使用了一种被称为神经网络的人工智能来进行模拟。神经网络是一种人工智能机器,能够根据先前的例子来学习如何预测行为。研究者使用少量钾原子对神经网络进行模拟训练后,神经网络深入掌握了量子力学,足以模拟包含上万个钾原子集合的行为特征。

计算机模型证实,在大约20000-40000倍大气压和127℃-527℃的温度下,钾进入了所谓的链融态。在这种状态下,钾中的链溶解成液体,而剩余的钾晶体则保持固态。

这是科学家首次证明任何元素在这种状态下都能保持热力学稳定性。

该研究团队开发的机器学习技术可能有助于模拟其他物质的行为,Marius Millot说,他在劳伦斯利弗莫尔国家实验室设置的极端条件下研究材料。

“宇宙中的大部分物质都处于高压和高温下,比如行星和恒星的内部,”他补充道。

奇异状态

现在科学家已经确定了钾的“链熔融相”,除了已知的气体、液体和固体等常见物质状态之外,还有以下几种其他不寻常物质状态:

等离子体:一种过热的气体,气体的原子核与电子分离,这意味着它们可以产生电场和磁场,并受到电场和磁场的影响。

玻色-爱因斯坦凝聚态:只有在接近绝对零度时才会形成,这种物质中的所有原子会像单个粒子一样活动。

超导体:当某些金属被冷却到低温时,电流可以毫无阻力在其中穿过。

超流体:一种液体冷却到接近绝对零度时,可以自由流动,完全没有摩擦力,甚至可以沿着容器的侧面向上流动,然后滴到外面。

简并态物质:这种物质只发现于白矮星和中子星的极高压下,白矮星和中子星是两种死亡恒星。

夸克-胶子等离子体:质子和中子溶解成其组成成分夸克的一种状态,夸克可以在携带强作用力的胶子之间自由运动。