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科学家发现新物态,同时为固态和液态

2019-4-26 环球解密

每当提及物质状态,我们大多数人想到的都是固态、液态和气态。但物理学家们已经发现,在极端温度和压力条件下还存在着更多的物态。

据美国国家地理杂志网报道,爱丁堡大学凝聚态物理学家Andreas Hermann带领的一个研究团队利用人工智能证实了一种奇异的新物态,其钾原子同时表现出固体和液体的特性。这种特殊状态的钾可能存在于类似地幔的条件下,但通常会与其它物质相结合。

用相图表达的各种物质状态。

Hermann说:“这就像拿着一块儿吸满水并且开始滴水的海绵,但海绵也是由水制成的。”该研究发表于近期的《美国国家科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Science)。

渗漏的晶体

类似钾的金属在微观层面上相当简单。当形成实心棒时,其原子有序连接成行并能很好地导热导电。长期以来,研究人员一直相信能轻而易举地预测这种晶体结构在压力下的状态。

但十几年前科学家们发现,在相当于地球表面压力20,000倍的压力下,与钾有相似属性的金属钠从银色块状物变为透明材料,而且不仅不再导电,甚至还阻止电流通过。在X射线的探测下,能看到其原子形成了复杂晶体而非原先的简单晶体。

科学家们对钾也进行了多次实验。当在极端条件下被压缩时,钾原子将自己排列成复杂的形状:五个圆柱体组成X形,四个长链条位于该构造的弯曲处,几乎像是两种独立的、非互相交织的材料。但随着科学家们调高温度,X射线图像显示,四个链条消失了。

为了一探究竟,Hermann和同事们开始借助于神经网络——一种能学会如何根据先例来进行行为预测的人工智能机器。在经过针对少量钾原子的训练后,神经网络掌握了量子力学,能模拟包含数万个原子的集合体。

人工智能模拟证实,在相当于大气压力约20,000到40,000倍的压力下以及400到800开(260到980华氏度)之间,钾会进入所谓的“链熔状态”(chain-melted state),其中的链条溶解成液体,而剩余的钾晶体则保持固态。

该团队开发的这种机器学习技术也可用于模拟其它物质的行为。

奇特态

其实,除了近期发现的这种钾的链熔态之外,科学家们已经发现了物质的多种非同寻常的“奇特态”。

等离子体:一种过热的气体形式,其原子核与电子分离,这意味着它们可以产生电场和磁场并受其影响。

玻色-爱因斯坦凝聚态:仅形成于接近绝对零度的温度,其所有的原子都开始充当单个粒子。

超导体:当某些金属冷却到低温时所出现的状态,具有零电阻的特性。

超流体:液体冷却到接近绝对零度的状态,可以无摩擦地流动,甚至能爬上容器的侧壁并从外面滴下。

简并物质:只有在白矮星和中子星这两种死亡恒星的极端高压下才能找到。

夸克-胶子等离子体:质子和中子溶解到它们的组成夸克中的状态,可以在强力胶子粒子之间自由移动。


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