Medžiagos būsenos: Neįsivaizduojamos nekietos, neskystos ir nedujinės formos

Fizikos dėsniai atrodo iškalti akmenyje. Šviesos greitis vakuume – konstanta. Yra keturios fundamentalios sąveikos. Teoriškai, šias taisykles peržiūrėti galima, bet naujiems pretendentams tektų pasirodyti su kaltu ir labai dideliu kūju.

Atleistina būtų manyti, kad toks pats užtikrintumas galioja ir tokiems fundamentaliems dalykams, kaip skirtingos medžiagos būsenų. Kaip išmokome dar mokykloje, jos yra trys: kieto kūno, skysčio ir dujų. Teisingai?

Tiesą sakant, tai tik pradžia. Dabar žinoma apie įvairiausias egzotiškas būsenas, nuo superlaidininkų iki Bose-Einstein kondensato, nuo kvantinio sukinio skysčių iki topologinių izoliatorių. Jų gausa stulbina ne menkiau, nei jų pavadinimai. Keista, tačiau niekas negali pateikti apibrėžto sąrašo: jų galėtų būti vos keturios ar gal tūkstančiai.

Šios kebeknės tvarkymas nėra vien smalsumo patenkinimas. Tiksliai nustačius, kas yra materijos būsena, turėtų geriau pavykti prognozuoti ir atrasti naujas. O tai ne tik suteiktų puikius technologinius dividendus, ir galėtų suteikti naujų būdų tirti realybės prigimtį.

Tokia numatymo galia yra itin svarbi fizikai: iš pradžių Higgso bozono egzistavimą numatėme, o paskui pastatėme dalelių greitintuvą jam aptikti. Bet materijos būsenų atveju tikslumas ir prognozavimas, tarkime švelniai, nebuvo mūsų stiprioji pusė – lig šiol. Tai pasikeitė, neseniai atradus naują materijos klasę.

Mokykliniai materijos būsenų apibūdinimai, paremti vien forma, atrodo paprasti. Kietas kūnas yra fiksuotos formos. Skystis teka ir įgauna indo dugno formą. Dujos plečiasi, kol užpildo visą talpą.

Atsikratome formų

Iš pirmo žvilgsnio, šių trijų skirtingų materijos būsenų savybės susijusios su medžiagą sudarančių atomų ar molekulių veikla. Kietuose kūnuose atomai susikabinę laikosi standžiose trimatėse gardelėse. Skystyje – gali judėti vienas kito atžvilgiu, tad bendra jų masė teka. Dujose dalelės turi tiek energijos, kad gali skraidyti, kartkartėmis susidurdamos. Norint pakeisti būseną, reikia suteikti joms šiluminės energijos ar paimti.

Bet jau seniai žinome, kad reikalai gerokai sudėtingesni, ir aukštas slėgis, žema temperatūra ir keista geometrija yra vieni iš tų dalykų, verčiančių materiją elgtis keistai ir tokią egzotiką įprastomis materijos būsenomis paaiškinti darosi sunku. Netgi toks pažįstamas dalykas kaip stiklas gali sumaišyti. Stiklas išlaiko savo formą, nors jos atomai išsidėstę netvarkingai, kaip skystyje. Dar yra materijos rūšis, kurią daugelis rankose laikome kiekvieną dieną: skystieji kristalai. Šių medžiagų optinės savybės panaudojamos išmaniųjų telefonų ekranuose. Be to, jie gali tekėti kaip skysčiai, nors atomai išdėstyti kaip tipiškam kietame kūne. Technologijoms tai praverčia – tačiau tvarkingai klasifikuodamas medžiagos būsenas, velnias koją nusilaužtų.

Skystų kristalų elastomerai dar labiau drumsčia vandenį. Pirmą kartą sukurti 1975 metais, jie sudaryti iš molekulių kurios visuomet išsirikiuoja lygiagrečiai viena kitos atžvilgiu. Iš čia ir keistokos savybės. Bandant tokią medžiagą atskirti, ji priešinasi; iš daugumos pusių ji spyruokliuoja. Bet patrynus vieną konkrečią plokštumą, ji ima tekėti. „Tai meta iššūkį mūsų koncepcijai, kas yra kietas kūnas, ir kas yra skystis,“ sako Mark Warner iš Cambridge'o universiteto.

„Tokios medžiagos meta iššūkį mūsų susidarytai koncepcijai, kas yra kietas kūnas ir kas – skystis“

Warnerio manymu, reikalus galėtų praskaidrinti tikslesnis formos apibrėžimas. Bet vien taip toli nenukaksime. Tai nepadėtų, kalbant apie plazmą, materijos būseną, sudarančią didžiąją Saulės dalį. Plazma yra kaip dujos, kurios atomai suskilę į krūvininkus, todėl praleidžia elektros srovę. Jos elgesys neįprastas, bet formos požiūriu, ji identiška dujoms. O kaip įvairios magnetizmo formos? Jos materijos formų kontekste minimos nuolat. Ypatingos jų savybės randasi iš kvantinio sukinio, savybės, kurią galima įsivaizduoti kaip prie kiekvieno medžiagos elektrono priklijuotą rodyklėlę. Būtent šių sukinių išsidėstymas – ne medžiagos forma – magnetams suteikia jų pritraukimo savybes.

Atrodytų, negi verta jaudinti dėl nesvarbios semantikos? Argi plazma nėra tiesiog elektrinį krūvį turinčios dujos? Argi magnetas nėra tiesiog magnetinių savybių turintis kūnas? Fizikams ne viskas taip paprasta. Nėra objektyvaus būdo kūno kietumui priskirti didesnio fundamentalumo nei magnetizmui, ar dujiškumą laikyti fundamentalesne savybe, nei krūvį.

Būtent todėl medžiagos būsenas klasifikuoja, remdamiesi kita koncepcija – simetrija. Įsivaizduokite, turite du popieriaus skritulius, viename taškai sudėti gardelėse, kitame skritulyje taškai išdėstyti netvarkingai. Dabar truputį pasukime popieriaus skritulius. Bus akivaizdu, kad gardelė buvo pasukta, o atsitiktiniais taškais išmargintame skritulyje kokius nors pokyčius pastebėti bus sunku. Atsitiktinių taškų raštas turi aukštą simetriją, o surikiuotų gardelių raštas – ne.

Gardelė ir atsitiktiniai taškai panašūs į atomų išsidėstymą kietuose kūnuose ir skysčiuose, todėl simetrija gali būti naudojama jų atskyrimui. Ši koncepcija taikoma daug plačiau, taip pat ir magnetinio sukinio išsidėstymui magnetuose ir krūvio – plazmoje. „Simetrija – galinga koncepcija,“ sako Douglas Natelson iš Rice universiteto Houstone (Teksasas).

Netikėti atradimai

Gal netgi pernelyg galinga. Apibūdinant pagal simetriją, netgi toks paprastas dalykas kaip vandens ledas galėtų būti 17 skirtingų materijos būsenų, nelygu, kaip išsidėstę atomai. „Galima būtų teigti, kad daug skirtingų būsenų yra tos pačios temos variacijos,“ svarsto Frank Wilczek iš MIT. „Klasifikuojant dalykus pakankamai grubiai, tuomet galėtų būti baigtinis skaičius fundamentaliai skirtingų medžiagos būsenų, o gal tik viena. „Simetrija naudinga, bet materijos būsenų klasifikavimo problemos neišsprendžia“.

Visa tai reiškia, kad autoritetingo materijos būsenų sąrašo nėra. Ši problema kyla iš mūsų negebėjimo naujas būsenas numatyti. Istoriškai, dauguma naujų būsenų buvo atrastos netikėtai. Tos kelios, kurios buvo numatytos, priklauso grupei, aprašomai paprastomis matematikos taisyklėmis, pradedančioms veikti itin neįprastomis sąlygomis. Vienas tokios būsenos pavyzdys yra Bose-Einstein kondensatas, superskysčio tipas, kuris pasirodė labai naudingas, modeliuojant juodosios bedugnės kraštus (žr. „Keista medžiaga: Supergalios“).

Neprognozuojamumo problemos mastą 2000 metais išryškino fizikos teoretikas Robertas Laughlinas iš Stanfordo universiteto Kalifornijoje ir Davidas Pinesas. Jie teigė, kad jei realioje medžiagoje dalyvauja 10 ar daugiau elektronų, dėl stiprios kaimyninių dalelių sąveikos tampa nebeįmanoma skaitmeniškai simuliuoti jų poveikio medžiagos būsenai; matematika tiesiog tampa neįsivaizduojamai sudėtinga. „Tai lyg vestuvių svečių susodinimo plano sudarymas,“ sako Natelson. „Jeigu niekam nerūpi, kas šalia jų sėdi, viskas paprasta. Bet jeigu Alano, ginkdie, negalima sodinti greta Barbaros, o Barbara jokiu būdu negali atsidurti šalia Čarlio, užduotis labai pasunkėja.“

Dėl tokio neprognozuojamumo nežinome, ar jau visos materijos būsenos yra aprašytos. Medžiagų mokslas nuo kitų fizikos sričių skiriasi savo prognozėmis ir eksperimntais. Panašiai kaip augalų medžiotojai einantys į laukus, medžiagų tyrinėtojai turi tenkintis atsitiktinių atradimų galimybe. Paaiškinimai ir klasifikacija gali būti vykdoma tik retrospektyviai.

Bent jau taip buvo anksčiau. Per pastaruosius 15 metų ar panašiai, atradome naują materijos būsenų grupę, kurios nariai, panašu yra numatomi. Šios revoliucijos pagrindas buvo paklotas 1980 m., kai Klaus von Klitzing atrado kvantinę Hall materijos būseną. Ji pasitaiko puslaidininkiuose, tokiuose, kokie būna kompiuterių lustuose, kuomet jie labai plokšti ir įterpti tarp kitų medžiagų. Įjungus magnetinį lauką, puslaidininkio būsena staiga pasikeičia, ir jis pradeda netrukdomai praleisti elektros srovę savo pakraščiais, nors visur kitur veikia kaip izoliatorius.

Nieko panašaus anksčiau nebuvo stebėta. Vien simetrija to nepaaiškinsi; reikėjo papildomos klasifikacijos. Atsakymas – topologija, matematikos šaka, apibūdinanti tokias formų ypatybes, kaip skylės ir susukimai terminais, ignoruojančiais pokyčius, kuriuos galima atlikti tas formas deformuojant. Tai, kaip kvantinė Hallo būsena nukreipia elektronus specifinėmis trajektorijomis, fundamentaliai yra topologiška.

Tai paskatino teoretikus paieškoms. 2005 metais Pensilvanijos universiteto tyrėjai ir kita Stanfordo universiteto grupė nepriklausomai numatė materijos būsenos galimybę grynai topologiškai. Dabar šią būseną vadiname kvantinio sukinio Hallo būsena. Mintis buvo, kad šią būseną įgaunančios medžiagos siųstų elektronus skirtingais keliais, priklausomai nuo jų sukinio. Elektronai, kurių sukinys į apačią, tekėtų vienu kraštu, kurių šį viršų – kitu. Per porą metų ši materijos būsena buvo stebėta realioje medžiagoje. „Tai buvo pirmas atvejis fizikoje,“ sako vienas iš Stanfordo autorių Andre Bernevig.

„Šis platus būsenų kraštovaizdis žada puikias technologijų perspektyvas“

Topologija simetriją papildo, o ne pakeičia. Bet pagaliau atsirado galimybė daryti prognozes. Praėjus porai metų nuo Hallo sukino būsenos atradimo, teoretikai išsiaiškino, kad derinant topologiją su trimis skirtingomis fundamentaliomis simetrijomis, galima sudaryti visą topologinių būsenų „periodinę lentelę“. Bernevigas su kitais ją išplėtė, kad būtų apimtos visos kristalų struktūrą apimančios simetrijos. Iš viso, jie atrado, kad tūkstančiai topologinių materijos būsenų dar neatrastos. Tai labai įspūdinga, sako Natelson. „Tobulėjant skaičiavimo metodams, prognozuojamumo sritis vis didės.“

Aukso kasykloje

Pirmieji ženklai rodo, kad platus topologinių būsenų kraštovaizdis žada puikias technologijų perspektyvas, ypač kvantinių skaičiavimų srityje (žr. „Keista medžiaga: Giliai susukta“). Dabar iššūkis – identifikuoti šias būsenas galinčias įgauti medžiagas. Dabartiniai Bernevigo ir kitų vertinimai rodo, kad daugiau nei ⅘ visų žinomų paprastų junginių – kurių elgseną galima aproksimuoti, nepasineriant į Laughlinui ir Pinesui ramybės neduodančias elektronų tarpusavio sąveikas – galėtų būti topologinės materijos būsenos. „Esame aukso kasykloje,“ sako Bernevigas.

O kaip netopologinės materijos būsenos? Ar kada turėsime ir jų išsamų sąrašą? Wilczekas neabejoja, kad dar yra nemažai ką atrasti – ir išgirsti tai iš žmogaus, numačiusio keistą laiko kristalo materijos būseną, šį tą reiškia (žr. „Keista medžiaga: neatitiktukai „).

Kaip bebūtų, Laughlinui ir Pinesui ramybės neduodanti elektronų problema neišnyko. Ross McKenzie iš Queensland universiteto (Australija), sako, kad vieną iš paskutinių sėkmingų sudėtingos materijos būsenos prognozių – „sukinio skysčio“ kuriame elektronų sukiniai lieka netvarkingi netgi žemiausiose temperatūrose – 1983 metais pateikė britų fizikas Duncan Haldane. „Tas faktas, kad 40 metų jų daugiau nebuvo, man atrodo kaip ženklas, kad optimizmui šioje srityje – ne vieta“, sako McKenzie. „Svajočiau būti neteisus.“

Bernevigas mano, kad tokia svajonė – pagrįsta. Modernūs superkompiuteriai pažaboja netgi painią daugelio elektronų sąveikos matematiką. Gal kurią dieną fizikai galės švęsti būsenų sąrašo pabaigtuves. „Jei prieš 10 metų būtumėte paklausę ar visus šiuos dalykus įmanoma prognozuoti, būčiau turėjęs sakyti „ne“. Dabar nebesu toks užtikrintas,“ – sako jis.