物质有哪些奇怪的相?

物质的经典相是什么?

在这篇文章中，我们将介绍你可能从未听说过的物质的不寻常阶段。但要做到这一点，解释什么是“正常”阶段是有用的，这样我们就有了比较的基础。固体是原子被锁在其中的物质，不能自由移动，而是因为原子的运动而只能轻微摆动，赋予它们固定的体积和形状。液体也有固定的体积(对于给定的压力和温度读数)，但可以更自由地移动，但仍限于附近。气体在原子之间有很大的空间，会填满任何给定的容器，直到达到平衡。等离子体是原子核和电子的混合物，由所涉及的能量分开。在此基础上，让我们深入研究物质的其他神秘阶段。

分数量子霍尔态

这是第一个让科学家们惊讶的新发现。它是通过对气体超冷条件下二维电子系统的研究首次发现的。它导致了粒子的形成，这些粒子具有整数分量的电子电荷，它们以奇怪的方式移动。这些比例基于奇数，落入了玻色或费米统计(Wolchover, An, Girvin)都无法预测的相关量子态。

弗拉顿和哈密码

总的来说，这种状态是美丽的，但很难描述，因为它需要一台计算机来找到Haah代码。它涉及到分形，暗示着与分形的关系，与混沌理论相关的无穷无尽的形状模式，这就是这里的情况。它们就是所谓的准粒子，表现得像一个单独的物体，但实际上是由其他粒子的相互作用产生的。奇怪的是，fracton并没有真正移动，因为它本身的性质，而不是被它们所处的环境所抑制。它们没有持续的行为，这让我们很难完全理解它们。使用fracton的材料有a非常有趣的图案是，当你放大到任何顶点时，整体形状的图案都在继续，就像分形一样。另外，顶点是相互锁定的，这意味着当你移动一个顶点时，你就移动了所有顶点。任何对部分材料的破坏都会向下迁移，本质上是用一种易于访问的状态对其进行编码，也会导致较慢的变化，这暗示了量子计算的可能应用(Wolchover, Chen, Lewton)。

量子自旋液体

在这种物质状态下，一组粒子形成了粒子环，当温度接近零度时，这些粒子环沿同一方向旋转。这些循环的模式也会改变，根据叠加原理波动。有趣的是，循环次数的变化模式保持不变。如果任意两个合并，则将保持奇数或偶数个循环。它们可以是水平方向的也可以是垂直方向的，给了我们4种不同的状态。量子自旋液体的一个更有趣的结果是受挫磁铁或液体磁铁。原子的自旋排列在这些环中，而不是一个美好的南北两极的情况，所以都扭曲了……沮丧。研究这种行为的最佳材料之一是herbertsmithite，一种天然存在的矿物，其中含有铜离子层(Wolchover, Clark, Johnson, Wilkins)。

超流体

想象一下，一种液体如果被推一下，就会永远移动，就像搅拌一杯热巧克力一样，它会永远旋转下去。当科学家们注意到液氦-4会移动时，这种无阻力材料首次被发现向上容器的壁。事实证明，氦是制造超流体(和固体)的一种很好的材料，因为它是一种复合玻色子，因为天然氦有两个质子、两个电子和两个中子，使它能够相当容易地达到量子平衡。正是这一特性赋予了它超流体的无阻力特性，使它成为与其他超流体比较的一个很好的基准。人们可能听说过的一种著名的超流体是玻色-爱因斯坦凝聚态，它确实是非常值得一读(奥康奈尔，李“超级”)。

超立体

具有讽刺意味的是，这种物质状态有许多类似于超流体的性质，但却是固态的。它是固体…液体。液体固体?它是由量子电子学研究所的一个团队和麻省理工学院的一个独立团队发现的。在所见的超固体中，我们看到了与传统固体相关的刚性，但原子本身也“在不同位置之间无阻力地”移动。你(假设)可以在完全没有摩擦的情况下滑动一个超固体，因为即使固体具有晶体结构，晶格内部的位置也可以通过量子效应流动，不同的原子占据空间(因为实际温度太低，无法诱导足够的能量让原子自己移动)。对于麻省理工学院的团队来说，他们使用了接近绝对零度的钠原子(从而使它们处于超流体状态)，然后通过激光将其分裂成两个不同的量子态。这种激光能够以只有超固体结构才能达到的角度反射。该研究所的研究小组使用铷原子，在镜子之间反射的光波进入一种状态后，铷原子被诱导成超固体状态，这种状态的运动模式暴露了超固体状态。在另一项研究中，研究人员将He-4和He-3置于相同的条件下，发现与He-3相关的弹性特征(He-3不能成为超固体，因为它不是复合玻色子)不如He-4，在合适的条件下使He-4成为超固体(O 'Connell, Lee)。

时间晶体

理解面向空间的材料并不差:它有一个在空间上重复的结构。在时间方向上呢?当然，这很简单，因为一种物质只需要存在，瞧，它在时间中重复。它处于一种平衡状态，所以最大的进步将是在物质上不断重复，但永远不会进入永久状态。马里兰大学的一个团队甚至用10个自旋相互作用的镱离子创造出了一些。通过使用一个激光来翻转自旋，另一个激光来改变磁场，科学家们能够让链条在自旋同步时重复这种模式(桑德斯，李“时间”，洛维特)。

第一课:对称

纵观这一切，应该清楚的是，物质状态的经典描述不适用于我们已经讨论过的新描述。还有什么更好的方法来澄清它们呢?与其描述体积和运动，不如使用对称性来帮助我们解决这个问题。旋转，反射，平动都是有用的。事实上，一些研究暗示可能存在多达500种可能的对称物质相(但哪些是可能的还有待观察(Wolchover周长)。

第二课:拓扑学

另一个帮助我们区分物质相的有用工具是拓扑学研究。这些是当我们查看形状的属性时，以及对形状的一系列转换如何产生相同的属性。最常见的例子是甜甜圈-咖啡杯的例子，如果我们有一个甜甜圈，可以像橡皮泥一样塑造它，你就可以做出一个杯子，而不会撕裂或切割。在拓扑学上，这两个形状是相同的。当我们接近绝对零度时，我们会遇到拓扑上最好描述的相。为什么?这是当量子效应被放大时，纠缠等效应会增长，导致粒子之间发生联系。我们可以开始讨论作为一个整体的系统，而不是单独的粒子(很像玻色-爱因斯坦凝聚)。有了这一点，我们可以影响到部件的变化，而系统不会发生变化……就像拓扑结构一样。这些被称为拓扑上不受影响的物质量子态(Wolchover, Schriber)。

第三课:量子力学

除了时间晶体，物质的这些相都与量子力学有关，人们可能会想，为什么过去没有考虑到这些。这些经典阶段是显而易见的，我们可以在宏观尺度上看到。量子领域很小，所以它的影响直到最近才被归因于新的相。随着我们进一步研究，谁知道我们会发现什么新的阶段。

作品的引用

An, Sanghun等人，“分数量子霍尔效应中阿贝尔和非阿贝尔安子的编织。”“arXiv: 1112.3400 v1。

Andrienko,丹尼斯。“液晶入门。”分子液体杂志。第267卷，2018年10月1日。

陈,谢。“弗拉顿，真的吗?”quantumfrontiers.com．量子信息与物质，2018年2月16日。2019年1月25日。

克拉克,露西。《物质的新状态:量子自旋液体的解释》Iflscience.com。IFL科学!2016年4月29日。2019年1月25日。

Steven M. Girvin， <分数量子霍尔效应导论>。Seminaire Poincare 2(2004)。

约翰逊,托马斯。《量子自旋液体基础》Guava.physics.uiuc.edu．2018年5月10日。2019年1月25日。

李,克里斯。"超固体氦态在漂亮的实验中得到了证实"Arstechnica.com．孔蒂纳斯特。2018年12月10日。2019年1月29日。

——“时间水晶出现了，没有蓝色警盒报告。”Arstechnica.com．孔蒂纳斯特。2017年3月10日。2019年1月29日。

Lewton,托马斯。“由部分粒子组成的‘最奇怪’物质，难以描述。”quantamagazine.com．广达，2021年7月26日。2022年1月18日。

理查德·a·洛维特，“‘时间晶体’最新的怪异量子现象。”Cosmosmagazine.com．宇宙。2019年2月4日。

奥康奈尔,Cathal。“一种新的物质形式:科学家创造了第一个超固体。”Cosmosmagazine.com．宇宙。2019年1月29日。

周长理论物理研究所。“物质的500个相:新系统成功地分类了对称保护相。”ScienceDaily.com。科学日报，2012年12月21日。2019年2月5日。

桑德斯,罗伯特。“科学家揭开了物质的新形态:时间晶体。”News.berkeley.edu．伯克利，2017年1月26日。2019年1月29日。

Schirber,迈克尔。焦点:诺贝尔奖-物质的拓扑相Physics.aps.org．美国物理学会，2016年10月7日。2019年2月5日。

威尔金斯,Alasdair。《物质的一种奇怪的新量子态:自旋液体》Io9.gizmodo.com．2011年8月15日。2019年1月25日。

Wolchover,娜塔莉。“物理学家的目标是将物质的所有可能相分类。”Quantamagazine.com．广达，2018年1月3日。2019年1月24日。

©2020 Leonard Kelley