相态列表

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相态列表是关于各种常见(固态,液态,气态,等离子态)和不常见的相态(物质在一定温度压强下所处的相对稳定的状态)的列表,列表是根据能量密度由低到高排列。

  • 低能量态:
    • 负绝对温度(Negative Absolute Temperature):不是一种负能量,只是一种反的能量分布,目前的实验达到了低于绝对零度数十亿分之一度。有可能制造出新的物质相负温度物质。负绝对温度气体还能模拟暗能量
    • 量子霍尔态(Quantum Hall state):这个状态发生于量子霍尔电压测量的方向垂直于电流的流动方向,会使得导线中的电子与空穴受到不同方向的洛伦兹力而往不同方向上凝聚,在聚集地点的电子与空穴之间会产生电场,此一电场将会使后来的电子空穴受到电力作用而平衡掉磁场造成的洛伦兹力,使得后来的电子空穴能顺利通过而不会发生偏移,此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。
    • 量子反常霍尔态(unusual Quantum Hall state):量子反常霍尔效应不依赖于强磁场而是由材料本身的自发磁化产生,在零磁场中就可以实现量子霍尔态。
    • 量子自旋霍尔态(Quantum spin Hall state):根据上述的霍尔效应,量子自旋霍尔态可能会为发展浪费更少的能源,产生较少热量的电子设备的理论阶段铺平道路。这是一个推导的量子霍尔状态。
    • 玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate):有大量玻色子占据同一量子态形成。1995年首次使用铷原子和钠原子制造出玻色-爱因斯坦凝聚体,2003年创造了分子玻色-爱因斯坦凝聚物,2010年实现光子玻色-爱因斯坦凝聚。
    • 费米子凝聚态(Fermionic condensate):和玻色-爱因斯坦凝聚态相似,但由费米子组成。根据泡利不相容原理,不同费米子不能占据同一量子态,但费米子可以配对成为具有玻色子性质的合成“粒子”,从而占据同一量子态。2004年将具有费米子特征的钾原子气体成功实现简并费米气体
    • 光子态(Photonic matter):在一个量子非线性介质中,光子可以表现得有质量,并能相互作用,形成光子分子(Photonic molecule)。光子分子的物理特性和激光不一样,更像科幻电影里面的光剑(lightsaber)。
    • 里德伯态(Rydberg matter):里德伯态属于强力的非理想等离子的其中一种介稳定状态。当电子处于很高的激发态后冷凝而形成。当到达某个温度时,这些原子会变成离子和电子。在2009年研究员成功由一粒里德伯原子和一粒基态原子中创造出里德伯分子(实验中用极冷的铷原子)。
    • 透明铝(Transparent aluminium):2009年利用德国汉堡电子同步加速器中心的自由电子激光装置(FLASH)产生的极短软X射线脉冲,集中发射到头发丝直径1/20的金属铝点上,每个铝原子都失去一个核心电子,同时却没有破坏铝内部的晶体结构,从而使金属铝在极短紫外线辐射的状态下变得近乎透明,维持了约40飞秒。[1]这一光化电离方式是研制类似新态物质的理想方式,极强的X射线源可催生新的物质状态。
    • 超导体(Superconductor):可以在在特定溫度以下,呈現電阻為零的導體。零电阻和抗磁性是超导体的两个重要特性。
    • 偏振子超流体(Polariton Superfluid):一种加入了大量被减速和囚禁的偏振子的固体,具有激光和超导体性质的物质态。
    • 超流体(Superfluid):极少数流体,比如液氦,在极低温下会形成一种完全无摩擦的流体。
    • 超流气体(Superfluid gas):在高温下(约五百亿分之一绝对温度,使粒子处于正常密度的最高温度)拥有超流动性的气态铷原子,可以自由流动没有阻力,在超冷费米气体的实验中观察到量子旋涡。
    • 量子液晶(Quantum liquid crystals):2012年用金属创造出偶极量子费米气体(Dipolar Quantum Fermi gas),该费米子气体具有晶体和超流体二者看似矛盾的特征,有望据此发现量子液晶或超固体。
    • 超固体(Supersolid):可以(在保持自身形状,不发生形变的情况下)完成完全无摩擦的运动。同时具有固体与流体的特征。
    • 超玻璃(Superglass):同时拥有超流体和冷冻晶体结构的特性的物质状态。
  • 固态(Solid):具有一定形状和体积,自身内部的分子运动不剧烈,分子排列紧密。
    • 导体半导体绝缘体拓扑绝缘体:一般固体材料依照其导电性分为绝缘体、半导体、导体。绝缘体在费米能处存在着有限大小的能隙,所以没有自由载流子;导体在费米能级处存在着有限的电子态密度,所以拥有自由载流子;半导体包括陈半导体和狄拉克半导体,在费米能处没有能隙,但是费米能级处的电子态密度仍然为零。拓扑绝缘体是一类特殊的绝缘体,材料内的能带结构是典型的绝缘体类型,在费米能处存在着能隙,但是在该类材料的表面总是存在着穿越能隙的狄拉克型电子态,所以导致其表面总是导电的。这一特殊的结构是由其能带结构的特殊拓扑性质所决定的。
    • 非晶形固体(Amorphous solid):或称非晶体、无定形体,固体中不存在远程有序的原子。常见的非晶态固体有高分子聚合物、氧化物玻璃、非晶形玻璃(Amorphous glassy solid)、非晶形橡胶(Amorphous rubbery solid)、非晶态金属和非晶态半导体等。
    • 结晶固体(Crystalline solid):组成的固体原子,分子或离子,有一个有序,重复的模式。
      • 塑性晶体(Plastic crystal):又称为柔粘性結晶,固体分子有固定位置,但保留了组成分子自由的旋转。
    • 准晶态(Quasicrystaline):亦称为拟晶(mimetic crystal),是一种介于晶体和非晶体之间的固体。在准晶的原子排列中,其结构是长程有序的,然而又不具有晶体所应有的平移对称性,因而可以具有晶体所不允许的宏观对称性。
    • 准三维电子晶体(quasi-three-dimensional electron crystal):介于二维和三维之间的一种物质,将最纯净的半导体材料置入超低温环境下,然后暴露在强磁场中,其中的电子呈现了奇特的量子态。
    • 磁序狀態(Magnetically ordered):在过渡金属的原子中有电子单独存在于原子轨域而且不形成化学键,所以在净自旋不是0的情况下拥有净磁矩,不同原子的磁矩都是有规则地排列,因此可以制成亚铁磁体(Ferrimagnetics)、磁铁(Ferromagnet)和反铁磁体(Antiferromagnet)。自旋玻璃(Spin glass)是一种亚稳定状态的磁性材料。自然界有三种基本的磁性状态,磁性反磁性以及量子自旋液(又称为液态自旋量子,Quantum spin liquid,简称QSL),物质本身是固态晶体,而其磁性却表现为液态行为。
    • 微相分离(Microphase-separated):共聚物可以进行微相分离,以形成一个多元化的周期纳米结构阵列。这个尺寸是微观或亚微观的,外观上是均匀的看不出分层现象,但是用微观手段仍能观察到两相结构的存在。
    • 二维晶体(2D crystals):是一種由原子組成的平面薄膜,只有一個原子厚度的二維材料,比如石墨烯以及新近发现的锗烯(germanene)。
  • 弦状网液态(String-net liquid):原子的这种状况显然是不稳定的排列,像液体一样,但仍有固定的总体格局,像一个固体。
  • 液态(Liquid):可变形但不可压缩的流体。形状由容器体积限定,在压力影响下,体积(几乎)不变。
    • 酯膜結構(Acetate membrane structure):酯膜结构和液晶一样具有柔性排列结构的特性,但分子间的连结程度又较液晶更小,与液体相同,因此物质可以像在液体中一样地通过酯膜结构的物质。
    • 液晶(Liquid crystal):性质在液体和晶体之间。一般来说,能像液体一样流动,但也表现出长程有序。
    • 非牛頓流體(Non-Newtonian fluid):部分液体摩擦应力的大小受作用力和剪应力所影响,在某一个流动情况之下便变成无定形体。除与当前的运动状态外还与液体过去的运动状态有关,此种液体有记忆效应。非牛顿流体可以分为纯粘性非牛顿流体粘弹性非牛顿流体两类。
    • 二维电子气(2DEG):在过渡金属氧化物(TMO)材料表面,电子密度很高,是一种平面电子集合,一种二维液体。
  • 气态(Gas):可压缩流体。形状和体积都由容器限定。
  • 膠體(Colloid):又稱膠狀分散體(colloidal dispersion)是一種均勻混合物,其中含有兩種不同相態的物質,一種分散,另一種連續。分散的一种由微小的粒子或液滴組成,大小介於1-100纳米之間,且幾乎遍佈整個連續相態中。按照分散剂状态不同分为:气溶胶(gasoloid),液溶胶(lyosol),固溶胶(solid sol)。
  • 高能量态:
    • 辐射场态(Radiation field matter):又叫真空场态物质,真空中,即便没有实体粒子,也存在引力场和热辐射。具有辐射作用的场,包括电磁场(包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线和γ射线等)和引力场等。满足一定条件场和实体粒子可以相互转化。
    • 量子场态(Quantum field matter):量子场论中,物质的质量仅被视为场的平方项之系数,并不具备实质物理意义。
    • 超离子态(Superionic): 在一些物质中观察到,有些原子固定在晶格上, 其它的原子则可在晶体中自由移动。水在高温及超高压的状态下可能形成超离子态,氧原子被冻结在不规则的晶格上,氢原子核则可在氧原子间自由活动,使水具有导电性,水中的氢原子核如同导体中的电子。
    • 超臨界流體(Supercritical fluid):在超過臨界點的溫度及壓力時,出現液體,氣體無法區分的物質狀態。
    • 等离子态電漿,Plasma):在高温下,电子完全从原子电离出来,所组成的自由电子气体。
    • 夸克-胶子等离子体(Quark-gluon plasma,简称QGP):一種量子色動力學下的相態,所處環境為極高溫與極高密度。自由夸克存在于胶子海洋中的物质状态。
    • 彩色玻璃冷凝物(Color-glass condensate):质子相互撞击还会产生一种液状物波胶子。
    • 简并态(Degenerate matter):物质有非常高的压力,由泡利不相容原理支持。
      • 电子简并态(Electronic degenerate matter):又称为超金属白矮星的组成物质,密度很大。电离的电子在被电离的离子能态上形成的简并态物质
        • 金属氢(Metallic hydrogen):是由氢原子核(即质子)组成的晶体结构,其原子间隔小于玻尔半径,与电子波长长度相当。电子脱离了分子轨道,表现为一般金属中的传导电子。金属氢中的质子既是普通阳离子,又是原子核,因此金属氢也是唯一既属于超金属,又属于通常金属的物质。
      • 中子简并态(Neutron-degenerate matter)中子态Neutronium):中子星的组成物质。恒星引力坍缩的巨大压力将电子压入原子核,成为原子核的一部分,与质子结合为中子,形成主要由中子组成的密度极大质量极大的物质。
      • 夸克物质(Quark matter)):也被称为量子色动力学物质(QCD matter),夸克突破夸克禁闭(quark confinement)也称色禁闭。可能存在一些特别大的中子星,可形成稳定在较低的能量状态。
        • 奇异物质(Strange matter):是夸克物质的一种特例,包含上夸克、下夸克和奇夸克的流體。這是與核物质(質子、中子等構成的普通物質)及非奇異夸克物質(non-strange quark matter,除奇異物質外的夸克物質)相對的概念。
  • 甚高能量态:
    • 弱对称物质(Weakly symmetric matter):大爆炸后10-12秒后,弱相互作用和电磁相互作用统一时產生。
    • 强对称物质(Strongly symmetric matter):大爆炸后10-36秒后, 随着宇宙的扩大,温度和密度下降,强作用力的分离,这个过程被称为对称破缺。
    • 引力奇点(Gravitational singularityr):也称时空奇異点或奇點,是一个體積无限小、密度无限大、時空曲率無限大的點。引力异常所预测的广义相对论存在的黑洞中心,它不是一个物质的相态(虽然大规模的能源有助于其创造物质)。
  • 暗物质(Dark matter):無法通過电磁波的觀測進行研究,也就是不與电磁力產生作用的物质。

2012年加拿大佩里米特理论物理研究所研究员文小刚在美国《科学》杂志的发表文章提出一种能够最终对相态进行分类的新理论体系,物质有500多种相态。该理论可以在任何维度、任何对称性的基础上对保有对称性的相态实施构筑和分类。[2]

参见[编辑]

  1. ^ Nature Physics 5, 693 - 696 (2009) Published online: 26 July 2009 | doi:10.1038/nphys1341,Bob Nagler,Ulf Zastrau,Roland R. Fäustlin,Sam M. Vinko,Thomas Whitcher,A. J. Nelson,Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photoionization
  2. ^ X. Chen, Z.-C. Gu, Z.-X. Liu, X.-G. Wen. Symmetry-Protected Topological Orders in Interacting Bosonic Systems. Science, 2012; 338 (6114): 1604 DOI: 10.1126/science.1227224