حالت های مواد(ششگانه)

▪ کلاً مواد در جهان در شش حالت ظاهر می شوند :
جامد، مایع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اینشتین و حالت تازه کشف ‌شده: ماده چگال فرمیونی.
مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند، …

کلاً مواد در جهان در شش حالت ظاهر می شوند :

جامد، مایع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اینشتین و حالت تازه کشف ‌شده: ماده چگال فرمیونی.

مواد جامد در برابر تغییر شکل مقاومت می‌کنند، آنها سخت و گاهی شکننده اند.

مایع‌ها به راحتی تغییر حالت می دهندو به سختی متراکم می‌گردند و شکل ظرف خود را می‌گیرند.

گاز‌ها کم چگال‌تر اند و ساده‌تر متراکم می‌شوند و نه‌تنها شکل ظرف محتویشان را می‌گیرند، بلکه آن‌قدر منبسط می‌شوند تا کاملا آن را پر کنند. در ترمودینامیک بررسی قوانین گاز ها از گازهای کامل استفاده می شود . این گازها معمولاً در شرایط استاندارد حالت گاز را به خود می گیرند.

حالت چهارم ماده، پلاسما، شبیه گاز است و اما ذرات سازنده آن یون ها می باشد. در جهان بیشتر مواد در حالت پلاسماهستند، مثل خورشید و سایر ستارگان . پلاسما اغلب بسیار گرم است و می‌توان آن را در میدان‌های مغناطیسی به دام انداخت.

حالت پنجم با نام ماده چگال باس-اینشتین (Bose-Einstein condensate) که در سال ۱۹۹۵ کشف شد، در اثر سرد شدن ذراتی به نام باسن‌ها (Bosons) تا دما‌هایی بسیار پایین پدید می‌آید. باسن‌های سرد در هم فرومی‌روند و ابر ذره‌ای که رفتاری بیشتر شبیه یک موج دارد تا ذره‌ای معمولی شکل می‌گیرد. ماده چگال باس-اینشتین شکننده‌است وسرعت نور در آن بسیار کم است .

دیبورا جین (Deborah Jin) از دانشگاه کلورادو که گروهش در اواخر پاییز امسال ( ۱۳۸۲ ) موفق به کشف این شکل تازه ماده شده‌است، می‌گوید: وقتی شکل جدیدی از ماده روبرو می‌شوید باید زمانی را صرف شناخت ویژگی‌هایش کنید. آنها این ماده تازه را با سرد کردن ابری از پانصدهزار اتم پتاسیم - ۴۰ تا دمایی کمتر از یک میلیونیم درجه بالاتر از صفر مطلق پدیدآوردند. این اتم‌ها در چنین دمایی بدون گران‌روی جریان می‌یابند و این نشانه ماده جدید بود. در دما‌های پایین‌تر چه اتفاقی می‌افتد؟ هنوز نمی‌دانیم.

ماده چگال فرمیونی بسیار شبیه ماده چگال باس-اینشتین (BEC) است. هر دو از فرورفتن اتم‌ها در دماهایی بسیار پایین ساخته‌می‌شوند. اتم‌های BEC باسن اند و اتم‌های ماده چگال فرمیونی، فرمیون. باسن‌ها درهم فرومی‌روند، اما فرمیون‌ها اینگونه نیستند. باسن‌ها اتم‌هایی هستند که می‌توانند در هم فرو روند. به طور کلی اگر تعداد (الکترون + پروتون + نوترون اتمی) عددی زوج باشد، آن اتم یک باسن است. مثلا اتم‌های سدیم معمولی باسن ‌اند و می‌توانند به حالت فاز چگال باس-اینشتین ادغام شوند. اما فرمیون‌ها مطابق اصل طرد پائولی نمی‌توانند در یک واحد کوآنتومی در هم ادغام شوند. هر اتمی که تعداد الکترون‌ها + پروتون‌ها + نوترون‌هایش عددی فرد باشد، مثل پتاسیم - ۴۰ یک فرمیون است. گروه جین برای مقابله با خواص ادغام‌ناپذیری فرمیون‌ها از تأثیر میدان مغناطیسی بر آنها استفاده‌کردند.

میدان مغناطیسی سبب می‌شود اتم‌های تنهای فرمیون جفت شوند. قدرت این پیوند را میدان مغناطیسی تعیین می‌کند. جفت‌های اتم‌های پتاسیم برخی از خواص فرمیونیشان را حفظ می‌کنند، ولی کمی شبیه باسن‌ها عمل خواهند‌کرد. یک جفت فرمیون می‌تواند در جفت دیگری ادغام شود - و جفت تازه در جفتی دیگر ...- تا سرانجام ماده چگال فرمیونی شکل‌گیرد. در اثر این پدیده، گران‌روی (Viscosity) ماده به وجود آمده باید بسیار کم باشد. جفت‌های فرمیون می‌توانند درهم فروروند و شبیه باسن‌ها عمل کنند. مشابه این پدیده را در ابررسانایی می‌بینیم. در یک ابررسانا، جفت‌های الکترون (الکترون‌ها فرمیون اند) می‌توانند بدون هیچ مقاومتی جریان یابند. متأسفانه مطالعه و دسترسی به ابررسانا‌ها بسیار مشکل است. گرم‌ترین ابررسانای امروزی می توانند در دمای (۱۳۵- )درجه سانتیگیراد عمل می‌کند و این بزرگ‌ترین مشکل برای مطالعه و استفاده از آنهاست. قدرت جفت‌شدن شگفت‌انگیز در حالت جدید، دانشمندان را امیدوار کرده‌است که بتوانند از یافته‌های خود درباره حالت تازه ماده، برای تولید ابررساناها در دمای اتاق استفاده ‌کنند.