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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。相态是指物质出现不同的相,也叫物态,物态的变化称为相变。物理法则应当是对称且可以被不加修改地应用在所有的时空点上的,但很多系统违反了对称性。比如磁铁中的原子的自旋可被排成一行而不是指向各个方向,矿石晶体里原子占用了预定空间位置使得晶体在稍微转动就看上去不同了。当一种变换使得物质性质发生改变,物理学家称之为对称破缺。对称破缺存在于自然的每个角落,因为磁力,超导甚至给予万物质量的希格斯机制都是源自于此。

低能量态编辑

  • 玻色氣體(Bose gas):是一个量子力学中的理想氣體模型,类似于经典理想气体,由具有整数值自旋没有相互作用的的玻色子组成,服从玻色-爱因斯坦统计
  • 費米氣體(Fermi gas):又稱為自由电子氣體(free electron gas)费米原子气体,是一个量子力学中的理想氣體模型,由具有半整數自旋没有相互作用的費米子组成,遵守费米-狄拉克统计。在金屬、半導體內的電子或中子星里的中子,都可以視為近似於費米氣體。
  • 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。
  • 超流体(Superfluid):物质在没有能量损失的情况下无限流动的一种物相。在1937年由 Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen 和 Don Misener 发现的。至少有两种氦的同位素、一种铷的同位素和一种锂的同位素可以在极低温下实现。在极低温下会形成一种完全无摩擦的流体,这种现象叫做超流现象(Superfluidity)。如果将超流体放置于环状的容器中,由于没有摩擦力,它可以永无休止地流动。在常压下,液态的4He和3He,在绝对零度时也不能凝结成固体。它们的量子效应显著,在各自对应的温度和压力下,发生由黏性液体转变为无黏滞的超流体的相变,同时还存在其他的特殊现象,这些液体称为量子液体(Quantum liquid)。又可区分为费米液體(Fermi liquid)(如液态3He)和玻色液體(Bose liquid)(如液态4He)两类。
  • 超固体(Supersolid):处于这种状态下的固体能毫无摩擦力地流动,空位将成为相干的实体(coherent entity),可以在剩下的固体内不受阻碍地移动,就象超流体一样。2004年,韩国科学和技术先进研究所和美国宾夕法尼亚州立大学的研究者报告称,冷却后的液态氦出现超固体现象,美国康乃尔大学的研究者认为氦已经变成了不稳定的量子塑料,一种有弹性的超流体。
  • 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。
  • 玻色-爱因斯坦凝聚态(Bose-Einstein condensate,BEC):,当温度足够低、原子的运动速度足够慢时,玻色子原子将占据能量最低的同一量子态,所有的原子就象一个原子一样,具有完全相同的物理性质。1995年JILA的Eric Corne和Carl Wieman组在铷-87原子云,Rice大学的Randy Hulet小组在锂-7原子云和MIT的Wolfgang Ketterle小组在钠-23原子云里分别观察到玻色-爱因斯坦凝聚。1998,Fried等人实现了自旋极化氢原子的玻色-爱因斯坦凝聚。2003年底,Innsbruck的Grimm小组,JILA的Jin小组,MIT的Ketterle小组先后在两分量的费米原子中制备出了分子凝聚体(Molecular Condensate)。2010年德国研究人员J. Klaers 实现光子的玻色-爱因斯坦凝聚。
  • 费米-狄拉克凝聚态(Fermionic - Dirac condensate):与玻色-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,不同的费米子不能占据同一量子态,在库柏(cooper)机制下,费米子可形成束缚态库柏对,就像一个复合粒子,表现为一个玻色子,然后库柏对发生凝聚,称为巴丁-库珀-徐瑞弗超流(Bardeen-Cooper-Schrieffer,BCS),从而占据同一量子态。1999年JILA的Jin小组成功将钾-40原子冷却到300nk,CCD成像显示超冷原子云有类壳层结构,是一个服从费米-狄拉克统计的宏观客体。2004年该研究小组利用Feshbach共振技术实现了强相互作用的简并费米气体(Degenerate Fermi Gas,DFG)。2005年,MIT的Ketterle小组利用锂原子实现了费米超流体,并观测到量子涡旋晶格,确切的用实验证明了费米超流的存在。

超冷原子气体编辑

冷原子超流体(ultracold atomic Superfluid):冷原子超流体和液氦超流体的不太一样,冷原子的低温状态是通过激光冷却和磁阱蒸发冷却控制的,把原子束缚住,原子热运动动能减小,相应的温度降低。当势阱很低时,原子可以按相同的动量向某个方向自由移动,系统形成超流相。与液氦相比,超冷原子具有无与伦比的可控性与纯净性,已逐渐成为实现并研究超流体最为理想的物理体系。

  • 超流气体(Superfluid gas):在低温下拥有超流动性的气态原子,可以自由流动没有阻力,超流是指没有任何阻力和摩擦的物质状态。
  • 超流玻色气体(Superfluid Bose gases):玻色气体超流相,原子蒸汽中玻色-爱因斯坦凝聚这种弱相互作用的多粒子系统成为一种理想的研究超流性和宏观量子现象的模型。
  • 超流费米气体(Superfluid Fermi gases):冷原子气体在相互作用多体系统中引起了丰富的超流相。新的研究对自旋轨道耦合的冷费米气体提出了一系列新奇的量子相,包括空间各项异性的超流, 由横向磁场引起的Fulde-Ferrell (FF)配对超流, 以及纵向磁场驱动的基于Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)配对的拓扑超流。破坏时间反演的拓扑超流态由拓扑整数来进行分类。拓扑量子数为奇数的拓扑超导的量子涡旋里面有奇数个马约拉纳费米子,此类拓扑态的准粒子满足非阿贝尔统计,并且由于具有非局域的拓扑性,可以抵抗局域的噪声干扰,所以己经有方案指出可以利用这些优势来做拓扑量子计算。p+ip超导是常见的破坏时间反演不变对称性的拓扑超导。在弱配对相里面,p+ip的手征超导体在边界上具有手征性的马约拉纳边缘态。
  • 玻色-费米双超流体(Bose-Fermi Dual Superfluids):研究者一直希望将具有不同统计性质的两种液氦混合在一起,以期能实现这一量子物态。由于氦原子之间的相互作用太强,将液氦冷却至100μK以下,仍然无法实现氦-3和氦-4的双超流。2016年中国科学技术大学潘建伟团队实现了包含150万锂-6原子和18万钾-41原子的质量不平衡玻色和费米超流体混合物(Mass-Imbalance Bose and Fermi Superfluid Mixture),并在该双超流体中成功地产生和观测到玻色—费米量子涡旋晶格。氦-4和氦-3都属于氦原子,质量平衡,在质量不平衡的不同原子状态下实现双超流难度更大。
  • 超流固体(Superfluid olid):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。像固体一样保留刚性结构;像超流体晶格内的原子必须能够在位置之间无阻力流动。类似氦超低温形成的超固体。2017年,麻省理工学院(MIT)沃尔夫冈·克特尔勒领导的团队利用钠原子和苏黎世的瑞士量子电子研究所(IQE)的团队利用铷原子分别实现。
  • 偶极量子费米气体(Dipolar Quantum Fermi gas):2012年美国研究者用金属创造出,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(Quantum liquid crystals)或超固体。中国研究者提出了三维偶极费米气体(Three-Dimensional Dipolar Fermi Gas)的外尔超流体(Wely Superfluidity)。
  • 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(一种能量子)的固体,具有激光和超导体性质的物质态。在超导体中,这种加入能够获得完美的电荷流动。这种行为会产生一种类似激光但是能量效率要高得多的纯光束。2007年美国的研究者做出了这项发现。
  • 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
  • 负质量超流体(Negative mass Superfluid):像电荷有正负,物质也有负质量(Negative mass)。正质量物体符合牛顿第二运动定律,推动正质量物体时,物体会沿着力的作用方向运动。当给予负质量物体推力时,它不进反退,向后加速运动。根据牛顿第三运动定律,当一个小球撞击另一个小球,这两个小球应该相互撞开。但如果其中一个小球具有负质量,那么这两个小球相撞后应该会朝相同方向加速。通过超冷铷原子制造负质量流体。
  • 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年研究员成功由极冷的一粒里德伯铷原子和一粒基态铷原子中创造出里德伯分子(Rydberg molecule)
    • 里德伯极化体(Rydberg polaron):是一种奇特的物质状态,在超低温下产生,其中一个非常大的原子在原子核和电子之间的空间中含有其他普通原子。为了形成这个原子,必须将原子物理的玻色-爱因斯坦凝聚体和里德堡原子两个领域结合起来。先将锶(Sr)原子转化到玻色-爱因斯坦凝聚态; 再用一束激光来激发原子,以将原子提升到高激发态;接着,激发电子开始以较平常更远的距离绕原子核转,从而成为了一个里德伯原子。电子的轨道变得如此之大,因而其他锶(Sr)原子可以轻易地放到里面:最多观察到了某个里德伯原子里塞下了170个原子。
  • 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)。2013年美国的研究团队成功诱使两个光子结合成分子形态,而这种光子束缚态以前只存在于纯理论中。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)。
  • 液态光(Liquid Light):2002年的一项西班牙的研究认为在激光束中的光子是可以凝聚为具有液态性质的光滴(light droplets)。当激光通过5次立方体非线性光学介质时,可以产生自聚焦,带有较强电磁场的强光束能改变介质的折射系数,从而使介质起着透镜的作用。这时激光流会充分地聚焦,并使光流形成为一个凝聚态,但这些光滴并不静止,它们以光速进行着运动。考虑到液态物质的一些普遍特性,如表面张力的作用以及在超流体中保持液体旋转性的特点等,液态光应保持成光滴状。可以产生液体密度最小的液体,具有的特征涡流可以产生全光黑洞。
  • 极化激元超流体(Polariton Superfluid):被称为液态光,极化激元-超流体的概念最早于2007年就被提出,当时的研究者就提出了假设,这类超流体的最大特点之一就是有可能在室温下被实现。2018年意大利CNR纳米技术研究所和加拿大蒙特利尔理工学院的科研人员共同在常温下完成,把一个130纳米厚的有机分子切片放在了两个反射率极高的镜片之间,形成一种类似三明治的结构。研究人员用周期为每飞秒35的激光脉冲轰击这个系统,使得光子在镜片间来回弹射。在这个过程中,光子与中间的有机分子急速交错,从而形成了一种具备光-物质二元属性的液态光,光子和有机分子中的电子相耦合便形成了液态光。两者在相互撞击之时就会产生“耦合”现象。在“耦合”之时会因撞击而生成数量巨大的附带电磁准粒子,“液体光”就是在准粒子中生成的超流体。该实验中的这种耦合体叫做极化激元,是一种准粒子。它是由电磁波之间的强烈耦合以及带有电偶极子或磁偶极子的激发作用中诞生。极化激元的形成也可看为一颗受激的光子。

电子相编辑

  • 电子态(Electronic matter):电子-电子、电子-晶格作用可以形成的各种电荷有序相(charge-ordered phases)。电子的电荷、自旋和轨道三种自由度能够各自或同时形成物态。和晶格一样,电子多重自由度的短程有序可以形成电子玻璃态(Electronic glassy state),而长程有序则能形成晶体态,也就是电子晶体(Electronic Crystals)。原子晶体以及个别电子单晶(Electronic monocrystal)已经被广泛研究,有宏观的,也有微观层面的。而对于有些电子单晶以及多重量子序电子单晶(Electronic Multiple Ordering Crystals),则研究较少。由于测量参数的缺失与实验条件的限制,从微观层面上探索电子序单晶尤其是多重量子序电子单晶十分困难,尽管他们对于深入理解量子序及其物性有着重要意义。电子也存在类似气、液、固等状态。二维电子气(即电子之间的相互作用很弱,近似为自由电子),金属中电子总是存在相互作用的,如果它们之间的库仑相互作用较弱,可以近似看做电子液体,正是电子液体的本征物性导致材料整体的力、热、光、电等物理性质。电子依靠中间媒介两两配对后成库珀对可以凝聚成具有零电阻的超导态;电子自旋磁矩取向一致的时候可以形成磁性很强的铁磁态;相邻电子聚拢在一起可以形成电荷密度波态等。
  • 维格纳晶体(Wigner crystal):1934年,尤金·维格纳(Eugene Wigner)第一次预言了一类电子的晶体相。在二维或三维空间中均匀、惰性、中性的背景上移动的电子气,如果其电子密度小于一个临界值,电子间的库伦势能将大于动能,因而电子的空间排布变得重要。为了使势能尽可能小,三维空间的电子会形成体心立方结构,二维空间的电子会形成三角晶格,一维的电子则会形成均匀分隔的晶格。
  • 拉廷格液体(Luttinger liquid):全称朝永-拉廷格液体(Tomonaga-Luttinger liquid),一维电子气体作为玻色子的低能量激发,将一条很细的纯净度极高的量子线冷却到接近绝对零度(-273 ℃),再对材料施加一个横穿磁场,消除杂质的破坏性作用,材料中的自由电子云将变成只有左、右方向运动的电子,电子互相连接着,就象火车车厢一样一起运动,1994年的美国一个研究证实了这种物质形态。
  • 电子向列相(Electronic Nematic phase):也叫电子液晶相(Electronic liquid-crystal phases),1998年理论物理学家S. A. Kivelson首次在莫特绝缘体中提出。 在强关联电子体系中,电子聚积成一条条线段,这些线段质量中心的空间位置是随机起伏的,但它们保持着一个共同的择优取向。在此相态下,电子失去了旋转对称性,从四重旋转对称(C4) 转变为二重旋转对称(C2),但保持了平移对称性。系统中呈现出打破晶格固有的旋转对称性的电子态。
  • 自由电子气(free electron gas):自由电子气是借用理想气体模型描述费米子系统性质的量子力学模型。其具有费米能的量子态都处于动量空间中的一个确定的曲面上,这个曲面称为费米面。自由电子气的费米面是一个球面;周期体系中的费米面则通常是扭曲面。费米面包围的体积决定了系统中的电子数,而费米面的拓扑结构则与金属的各种传导性质(如电导率)直接相关。对费米面的研究有时被称为“费米学”(Fermiology)。按电子运动维度可分为一维,二维和三维。二维电子气(two-dimensional electron gas, 2DEG)是指电子可以在二维方向自由移动,而在第三维上则受到限制的现象。在某些材料表面,电子密度很高,是一种平面电子集合,是一种二维液体。
  • 电子晶体(electride):在离子性材料里存在周期性的空档,而电子正好落在这些空档里,充当了阴离子(anion)的角色。按照空档的维度来分类,有0维,1维和2维的电子晶体。这个维度指的是陷落电子势阱维度。电子晶体是一种双曲材料。一维和二维电子晶体材料从结构上就有严重的各向异性:电子在一个多两个方向不局域代表有很强的金属性,而在另外的方向金属性很弱,满足双曲材料最本质的要求。
  • 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,将极纯净的半导体材料置入超低温环境下,并对其施加垂直和平行的强磁场中,半导体内的二维电子系统转变为准三维电子固体系统绝缘体。
  • 多级有序态(multipolar order):晶体里的电子运动无序,在合适的情况下,晶体中的电荷会排列成重复的有序结构电荷有序态。电荷是一种标量,用数值或者量级可以描述这种物质形态。除了电荷,电子还有一个名为自旋(spin)的自由度。当电子以相同的自旋方向排列在一起时,物质就会呈现出铁磁性。自旋既有方向也有大小,一个以电子自旋为序的相可以用矢量来描述。电子可能并不以这两种方式排列,如果标量和矢量都不足以描述它们,例如,相很可能是由一对对自旋方向相反的电子组成的,一个自旋方向向南,另一个向北,这种情况称为磁四极(magnetic quadrupole)。用传统的探测器,很难发现这样的多极有序态。当用单频率的光照射物体时,反射回来的光也是其原来的频率,还有非常非常少的反射光不是原频率的,它们的频率是原频率的整数倍,这些倍频光就是光谐波。在锶铱氧化物(Sr2IrO4)的实验中根据改变晶体的对称性会对每个谐频的强度造成不同的影响这一事实,利用晶体对光学谐波的反应来判断多极有序态是否出现。研究发现,第二谐频的反射光向揭示了一种与已知晶体结构完全不同的对称性,而在反射回的基频光中完全观察不到这一效果,这清晰的显示了一种特定的多极有序态的存在。
  • 激子素(excitonium):也叫激子态,是由一种玻色子激子组成的,激子是电子和空穴组合起来的一种复合粒子,伊利诺伊大学的研究人员发现第一次观察到这种软质粒相,它是激子凝聚的前体。
  • 极化子有序相(polaron Ordered phase):极化子(polaron),是指体系中电子因为库伦作用而吸引周围带正电的离子,促使局域晶格发生畸变。这一畸变区域称为极化子。如果电子可以运动,还会携带周围畸变晶格区域一起运动,而这些掣肘反过来阻碍电子的自由运动,应该算是电声子相互作用类。极化子有很多变种,包括与局域自旋关联极化子、双极化子、齐纳(Zener)极化子等。铜氧化物的欠掺杂区存在空穴条纹相。从母体反铁磁态开始掺杂空穴,反铁磁畴被富空穴金属条纹相分割包围,出现赝能隙相。这类条纹相通常被认定是邻位JT(Jahn-Teller )双极化子有序态。有很多工作揭示这类条纹相并非满足严格对称要求的双极化子有序态,而是呈现电子液晶 (quantum liquid crystal)相特征。有物理学者也认为空穴掺杂的锰氧化物(也就是CMR锰氧化物)中电荷条纹相也可能是类似的电子液晶相,因为锰氧化物的JT 物理与铜氧化物有类似之处。在合适的空穴掺杂浓度区间内,只要有足够高密度的静态(static) 和动态(dynamic) 的JT 极化子存在,可以形成极化子液态、极化子玻璃态、极化子晶体甚至是极化子赝能隙相。
  • 二维量子液晶(two-dimensional quantum liquid crystal):它们的分子表现和普通液晶一样,物质内的电子虽能自由移动,却更倾向于沿一定方向排列,即存在优先流动方向。虽然晶格中X轴与Y轴的指向和传统液晶分子并无不同,但整个平面上的电子会整体决定更倾向于其中的某个方向。用其制作高温超导体,能够在温度为负150摄氏度的情况下就实现无电阻,比传统超导体运行的温度更高。
  • 三维量子液晶(three-dimensional quantum liquid crystal):晶格中X、Y、Z轴方向的电子分布不同,在特定方向轴上,向前或向后的流动磁性也有所不同。三维量子液晶的电子具有完全不同的磁性,即能够沿一个给定轴方向流动。这意味着提供了使材料变为磁铁的方式,或者能够改变磁铁的磁性强度和方向。三维量子液晶内部能通过的电流方向之间,磁场强度和方向皆不同,打破了晶格的对称性。

拓扑量子态编辑

  • 时间晶体(Time crystal):非平衡新物态,在这种物态下,量子微粒的集合永远在变动,永远不会达到稳态。然而这些集合构建的系统能从本来会干扰其它物态的随机相互作用里汲取稳定性。2012年物理学家Frank Wilczek提出时间晶体的结构,由于非对称基态的存在,可能存在基态仍能发生运动的物质,并称其为量子时间晶体(Quantum Time crystal)。在常见晶体中,原子在空间内按一定规律重复排列。而在时间晶体中,原子在时间轴上进行周期性振动。他认为该物质可打破时间的平移对称性。研究者一度认为这种物质不可能真正存在,2018年的两项研究各自独立地造出了离散时间晶体,“离散”源于其周期总是驱动周期的整数倍。马里兰大学联合量子研究所(JQI)与加州大学伯克利分校组成合作团队,在一条由10个镱离子构成的离子链中,用激光诱发了三种不同反应,他们用激光脉冲轰击原子离子,激发出磁场,然后用另一道激光稍微翻转原子的自旋方向。这一过程不断重复,最终创造出了按时间排列的重复翻转结构。这样的组合让原子自旋震荡,震荡周期是被翻转的两倍。如果向激光之中加入一些噪声,干扰原子自旋的翻转方向,这种2T的周期仍然能稳定存在。哈佛大学与加州大学伯克利分校开展了合作研究,在合成钻石中利用人工晶格造出了时间晶体,这块钻石上密布着约一百万个缺陷,每个缺陷都包含着自旋。钻石的不纯净性也提供了天然的无序性。用微波脉冲翻转缺陷里的自旋,他们看见系统响应了一小段的扰动频率,系统只在极少数时间会对干扰做出反应。
  • 拓扑超流态(Topological Superfluid)拓扑超导态(Topological Superconductor)拓扑超固态(Topological Supersolid):拓扑超流体,其内部受能隙保护,而在系统边缘却可以激发出无能隙的马约拉纳费米子,不同边界处马约拉纳费米子的传播应该是反向的,由于该粒子不受外界环境的干扰,用它们携带量子化的信息,所以可以用于拓扑量子计算的研究。利用对称性可以将拓扑超流态分为时间反演不变的拓扑超流态和时间反演对称破坏的拓扑超流态。具有时间反演不变的拓扑超流态在体系统里面有配对能隙,其表面态具有Majorana费米子。自旋轨道耦合超导体是常见的时间反演不变的拓扑超导体。自旋向上的费米子配对为px+ipy态,自旋向下的费米子配对为px-ipy态。这类拓扑超导态在体系统里面有能隙,在材料边界上有相向传播的马约拉纳费米子。2014年中国的新研究提出了无能隙拓扑超流态,这一新物质相具有空间不均匀的序参量,在动量空间中体系内部的能隙关闭点形成环(如果是二维体系)或面(三维体系), 在实空间中体系的两个相对边界上能同向传播马约拉纳费米子。
  • 自旋超流态(Spin Superfluid)自旋超导态(Spin Superconductor): 由电荷为零自旋非零的玻色子在低温下凝聚成的超流态。自旋流能无耗散地流过自旋超导体,即自旋阻是零;但对于电流来说是绝缘的。
  • 自旋玻璃态(Spin glass)是一种亚稳定状态的磁性材料,是材料所显示出来的高度的磁自旋阻挫,起因于结构本身的某种无序或由于磁性掺杂无序性所导致,这种磁性阻挫意味着不能保持单一的能量基态。不同自旋结构的长程有序态自旋固态(spin solid)、自旋玻璃态、自旋果冻态(spin jam),借助不同内禀或外源参量调控,可以相互转化。
  • 经典自旋冰(Spin ice):有些材料中的稀有金属元素存在于四面体顶点上。由于四面体的顶点之间的磁性相互作用存在几何阻挫,故而系统在极低温度是仍有熵存留,并且自旋构型满足“两进两出”的 Pauling ice rule。经典自旋冰中由于几何阻挫的存在,系统中的磁激发可以用磁单级子的形式来描述。
  • 团簇莫特绝缘体:也称为团簇自旋玻璃态,在经典自旋冰中加入量子自旋涨落,从理论上讲就可能出现量子自旋冰,或者团簇莫特绝缘体。在量子自旋冰和团簇莫特绝缘体中除了有分数化的磁单级子的激发之外,还涌现出满足量子电动力学层展U(1)规范场理论所描述的低能“光子”,其中的拓扑元激发包含衍生光子和自旋子。衍生光子的物理性质类似于量子电动力学中的光子,而自旋子则类似于电荷。。这样的物质形态不能用传统的以对称性自发破缺为基础的凝聚态相变理论来描述。中国研究团队,运用量子蒙特卡洛蠕虫算法,使用“天河1号”超级计算机和其他计算平台,发现了1/4 和3/4 玻色子占据的两种团簇莫特绝缘体,证实了1/4, 1/2和3/4 玻色子占据的团簇莫特绝缘体(其中1/2 玻色子占据的团簇莫特绝缘体就是量子自旋冰)是具有量子电动力学层展U(1) 规范场特性的奇异物质形态。
  • 量子自旋冰(Quantum spin ice):是三维的量子自旋液体,其晶格由正四面体共点链接,形成烧绿石结构。每个四面体顶点都被局域磁矩很强的磁性稀土离子占据,而晶体场的影响迫使稀土离子磁矩表以伊辛自旋形式,自旋方向由平行于相邻两个四面体体心连线指向四面体体心或体外两个方向。由此,自旋冰中的阻挫就表现为每个四面体单元内局域能量最低的自旋排列方式是:两个自旋指向体心,两个自旋指向体外,即所谓“两进两出”自旋构型,类比于冰中氢氧之间的空间距离。因此这种自旋排列规则被称为“冰规则”,想象颇为丰富浪漫。由于每个四面体满足“冰规则”的自旋排列共有6种,所以自旋冰在低温下存在大量简并态,在实验上表现为自旋冰系统在极低温下依然保有很大剩余磁熵。2018年洛斯阿拉莫斯国家实验室研究团队在实验中发现,在连续淬灭条件下,随着温度降低,Shakti自旋冰并未进入低能态。整个系统似乎在以一种“顽强”的态度保持能态的稳定。这与“二聚体覆盖模型”吻合。随后,实验室的数据确证了存在拓扑电荷守恒导致的长时间激发。首次证实了,经典系统(如人工自旋冰)可以用于证明拓扑有序相。
  • 量子自旋液体(Quantum spin liquid,简称QSL):又称为液态自旋量子,物质本身是固态晶体,磁矩表现得像液体,并且在温度低至绝对零度时也不会冻结或有序化,不会发生对称性自发破缺的量子态。液态自旋量子的单个粒子磁性取向始终处于变化之中,与真正液体中的分子运动类似。这种物质内部没有静态磁性取向。但粒子之间存在强烈的相互作用,由于量子效应,它们不会固定在某个地方。
  • 弦状网液态(String-net liquid):原子的这种状况是不稳定的排列,像液体一样,但仍有固定的总体格局,像一个固体。在正常的固體狀態下,物質中的原子應以網狀排列,因此對於任何一粒電子,它相鄰的電子的自旋方向應與它自身相反。但在弦狀網液態下,原子會以某種形式排列從而令到部分相鄰電子的自旋方向與它的方向相同。

霍尔效应编辑

  • 量子霍尔态(Quantum Hall state)/量子霍尔效应(Quantum Hall effect):二维电子气体在垂直的磁场中,能谱分立为高度简并的朗道能级,在强场低温条件下,能级间距远大于热涨落能,观察到横向电导率随着磁场的增大出现一系列霍尔平台。这些霍尔平台对应整数量子化电导,称为整数量子霍尔态(integer Quantum Hall state)/整数量子霍尔效应(integer Quantum Hall effect,簡稱IQHE)。二維電子氣出现的霍爾傳導率在分數值時會出現準確量子化的平台區。它是一種集體態的特性,在這種集體態裡,電子把磁通量線束縛在一起,形成新的準粒子、有着分數化基本電荷的新激發態,並且有可能出現分數統計,称为分數量子霍尔态(Fractional quantum Hall state)/分數量子霍爾效應(Fractional quantum Hall effect,簡稱FQHE)
  • 量子反常霍尔态(Quantum anomalous Hall state)/量子反常霍尔效应(Quantum anomalous Hall effect):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)/量子自旋霍爾效應(Quantum spin Hall effect):在没有外加磁场条件下即使是在非磁性材料中,也存在类似的霍尔效应,自旋向上和自旋向下的电子分别向两边运动从而分离开来.与电荷相关的霍尔效应不同,这种霍尔效应与电子的自旋密切相关。
  • 拓扑绝缘体(Topological insulators):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。
  • 拓扑超导体(Topological superconduc-tors):是拓扑绝缘体在超导上的类比,在边界处具有无能隙的Andreev边缘态。因为边缘态零模,即马拉约那费米子,是一种非阿贝尔任意子,在拓扑量子计算中有着潜在应用。
  • 拓扑晶体绝缘体(Topological crystalline insulators):由晶体对称性保护的一类拓扑绝缘体, 无能隙表面态只在具有特定对称性的表面出现,晶体对称性更容易被外电场、应力所改变。
  • 强关联拓扑绝缘体(Strongly correlated Topological insulators): 包含稀土元素的化合物由于其f电子的性质往往具有很强的电子-电子相互作用。这是凝聚态物理中一类典型的强关联体系, 被称为重费米子材料。一些重费米子绝缘体具有拓扑非平庸的电子结构和无能隙的表面态。
  • 拓扑半金属(Topological semimetals)如果逐渐减弱一个三维拓扑绝缘体材料的自旋轨道耦合强度, 拓扑绝缘体的体能隙会先逐渐减小直至零, 随后又逐渐变大。这是一个由三维拓扑绝缘体到三维普通绝缘体的拓扑相变过程。在相变点处, 在动量空间中导带底和价带顶会相交于一个点,形成一个无能隙的三维狄拉克锥, 可以看成石墨烯的电子结构推广至三维的情况, 被称为狄拉克半金属。如果在一个狄拉克半金属中引入铁磁性, 它将转变为另一种拓扑材料,外尔半金属能带结构在动量空间包含成对的奇点,称为外尔点, 在外尔半金属某些表面会呈现“费米弧”形的表面态。

相态性质编辑

  • 导体半导体绝缘体: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。
  • 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,可以制成亚铁磁体(Ferrimagnetics)、磁铁(Ferromagnet)和反铁磁体(Antiferromagnet)。三种基本的磁性状态磁序狀態,磁性和反磁性以及液体量子自旋态。
    • 磁状态包括抗磁性(diamagnetism)、超抗磁性(superdiamagnetism)、顺磁性(paramagnetism)、超顺磁性(superparamagnetism)、铁磁性(ferromagnetism)、超铁磁性(superferromagnetism)、反铁磁性(antiferromagnetism)、亚铁磁性(ferrimagnetism)、螺旋磁性(helimagnetism)、圆锥螺磁(conical)变磁性(metamagnetism)、混磁性(mictomagnetism)、散磁性、自旋玻璃、自旋冰、量子自旋液体、铁磁超导体(ferromagnetic superconductor)。
    • 磁有序结构铁磁有序结构、反铁磁有序结构、亚铁磁有序结构、螺旋磁性有序结构、正弦波模磁有序结构、非晶态金属磁性的锥形磁有序结构,又可以分成三种形式,散反铁磁性有序结构(speromagnetism),散亚铁磁性有序结构(sperimagnetism),散铁磁性有序结构(asperomagnetism)。考虑到材料的三维结构,存在磁矩共线排列的共线磁、磁矩螺旋排列的螺旋磁、磁矩如梯子排列的自旋梯等。
    • 铁基超导磁结构可能有三种:自旋密度波条纹相(stripe-type spin-density wave, SSDW)、自旋电荷密度波相(spin-charge-density wave, SCDW)、自旋涡旋点阵相(spin-vortex crystal, SVC)。
    • 磁性材料中的自旋拓扑结构是自旋有序体系,磁性涡旋(Vortex)、反涡旋(Antivortex)、磁性斯格明子(Skyrmion)、反斯格明子(Antiskyrmion)、双涡旋磁性斯格明子(biskyrmion)、磁泡(Bubble)、麦纫(meron)、磁浮子(chiral magnetic bobbers)。包含DM (Dzyaloshinskii-Moriya) 相互作用的体系在外磁场以及温度的作用下出现多种磁有序结构, 例如螺旋磁(helical)、圆锥螺磁(conical)、铁磁、斯格明子相等。在二维体手性材料里主要有铁磁态、斯格明子态、螺旋态。低磁场下是螺旋态,随磁场的上升螺旋态逐渐变为斯格明子态。在适当的磁场温度下斯格明子会排列成密堆积的结构,类似于晶体中的原子排列,所以称为斯格明子晶体态、在准一维纳米条带中,类似的堆积结构也被称为packed斯格明子态、随着纳米条带宽度的降低,同样的堆积结构逐渐变成一维斯格明子链。相图中介于铁磁态和斯格明子晶体态之间的斯格明子与铁磁的混合态,也可以称之为斯格明子气体态;当体系中只有一个斯格明子时可以称为单独斯格明子态。在界面手性材料中,螺旋态变成了一种类似的螺线(spiral) 态,螺线态与螺旋态结构的主要差异是相邻自旋旋转方向的不同。
    • 磁畴结构是铁磁质的基本组成部分。在各磁畴中, 原子磁矩的排列各有相互平行的自发倾向, 磁矩方向保持一致。但是各磁畴的排列方向是混乱的, 所以铁磁体在没有被磁化前不显磁性. 磁畴结构多种多样, 通常有以下几种类型: 片形畴、封闭畴、旋转畴、棋盘畴、柱形畴、蜂窝畴、迷宫畴、楔形畴等. 在磁畴的边界, 磁矩从一个方向连续地过渡到另一个方向, 从而有磁畴壁。典型的磁畴壁有布洛赫畴壁、奈尔畴壁等。在外磁场的作用下, 不同方向的磁畴的大小发生变化, 以致外磁场方向上的总磁矩随外磁场的增强而增加. 所以, 磁畴的结构影响磁化过程和退磁化过程, 从而影响材料的磁性能。
  • 電極化狀態( ordered):當給電介質施加一個電場時,由於電介質內部正負電荷的相對位移,會產生電偶極子,這現象稱為電極化(electric polarization)。電極化狀態包括介電質(dielectric)、順電態(paraelectricity)、鐵電態(ferroelectricity)、反鐵電態(antiferroelectricity)、螺旋电态(helielectricity)、亚电态(ferrielectricity)。
  • 铁性状态(ferroic ordered):铁磁性(Ferromagnetic)具有自发的磁化现象,磁场消失后磁性能保持。在外加磁场下,磁感应强度会随着磁场的变向而变方向。铁电性(Ferroelectric)材料具有自发极化,极化强度随着外电场的改变而改变。铁弹被性(Ferroelastic)材料是极化应变随着应力而改变。它们的共同特点,功能性能响应有滞后,微观上能形成畴结构,统称铁性(ferroic)。多铁性材料(multiferroics)是指材料中包含相互耦合的两种及两种以上的铁性性能。多铁性材料可以通过其中一种铁性改变来操控另一种铁性,如通过电场控制磁化或者通过磁场控制电极化。
    • 铁磁性(Ferromagnetic)反铁磁性(Antiferromagnetism):一個物質的晶胞中所有的磁性離子均指向它的磁性方向時才被稱為是鐵磁性的。若其不同磁性離子所指的方向相反,其效果能够相互抵消則被稱為反鐵磁性。若不同磁性離子所指的方向相反,但是有强弱之分,其产生的效果不能全部抵消,則稱為亚铁磁性。基本上铁磁性这个概念包括任何在没有外部磁场时显示磁性的物质。
    • 铁电性(Ferroelectric)反铁电性(Antiferroelectricity):在一些电介质晶体中,晶胞的结构使正负电荷中心不重合而出现电偶极矩,产生不等于零的电极化强度,使晶体具有自发极化,且电偶极矩方向可以因外电场而改变,呈现出类似于铁磁体的特点,这种晶体的叫铁电体。铁电材料内部的电偶极子与材料的晶格密切相关,材料晶格的变化将导致材料自发极化的变化。改变晶格的两个因素是力和温度。外加的机械应力可以产生表面电荷的性质称作压电性,温度的变化导致自发极化的变化的性质称作焦电性。有一类物体在转变温度以下,邻近的晶胞彼此沿反平行方向自发极化,可观察到双电滞回线,这种性质称为反铁电性。
    • 铁弹性(Ferroelectric):应变S对应于外力σ的变化有滞后现象,应力与应变呈非线性关系,自发应变方向可因外力场而反向,表征铁弹性的力滞回线,类似于铁电体的电滞回线,这种晶体的叫铁弹体。与顺弹体(paraelastic)相对。
    • 铁涡性(Ferrotoroidic):材料中的磁矩按头尾相连的形式冻结下来形成微小的涡旋,这种涡旋可以是顺时针的或逆时针的,并可通过改变电场和磁场的特定组合来改变涡旋的方向。无论是磁系统还是电偶极矩系统都可能形成涡旋结构,涡旋的手性可用来表征信息记录的位,相应地把这种晶体的称之为铁涡体。
    • 铁谷性(Ferrovalley):能谷一般指布洛赫电子能带的极值点处。如果材料中存在一系列具有稳定能态的能谷,原则上这些能谷就可以作为新型的自由度用于实现信息编码和数据操作。在谷电子学材料中应该存在一类具有自发谷极化的材料,而类比于传统电子学中具有自发电偶极矩的铁电体和自旋电子学中具有自发自旋极化的铁磁体,可被称之为铁谷体。
  • 阻挫系统(Frustration):如果近邻作用无法同时满足能量极小,就会出现几何阻挫。在三角形面或正四面体为单元的晶格上的反铁巧自旋模型通常巧会存在相互作用之间的竞争关系。由于在每个三角形或四面体单元中,总是不能同时满足所有边上的反铁磁相互作用条件(即相邻两个自旋的朝向相反).不同最近邻边上的反铁巧相互作用的竞争会导致系统中存在大量能量相近的低温构型,这种现象被称为几何阻挫。

常温有序态编辑

  • 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。
    • 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。
    • 半晶态(part-crystalline)):复杂体系中由于化学键的复杂性,随着外场条件发生变化,材料体系表现为部分晶态-部分无序(part-crystalline part-amorphous)和部分晶态-部分液体(part-crystalline part-liquid)的特殊状态,材料宏观上表现为固体状态,但由于物质内部部分原子的剧烈无序和局部流动特性,经典固体理论中的基于小参数(small parameter)近似的声子输运理论不再适用,处于这样状态的物质普遍表现出反常的热输运行为和极低晶格热导率等。
    • 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。
    • 一维有序晶体(one-dimensional long-range crystal): 固体新结构一维有序结构(one-dimensional long-range order),该结构仅在一个方向上保留了晶体的平移对称性和周期性,在其他方向上其原子呈现无序排列,形成了具有一维平移周期性的长程有序结构。构成一维有序晶体的结构单元的原子排列与重位点阵倾转晶界的结构单元非常类似。2018年由中科院研究团队在MgO和Nd2O3薄膜材料中发现。
    • 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)。
  • 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。在不同的压力下表现为非刚性液体(普通液体)和刚性液体(稠密流体),在两者之间有一个P-T很窄的相变被命名为弗兰克尔(Frenkel)线,刚性液体很硬,以至于有些(尽管不是全部)剪切波可以穿过。
    • 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。
    • 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。
    • 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。
  • 气态(Gas):可压缩流体。形状和体积都由容器限定。

常温无序态编辑

在有序系统中引入各类缺陷或在部分自由度上造成无序可以组合出许多种半有序结构,它们与玻璃态或其他非平衡态的界限往往较模糊。可以按以下思路生成更多的半无序系统:一是向有序系统中混入一些缺陷或掺杂(比如多晶),二是让系统在某些自由度上有序而其他自由度上无序,由此可组合出各种半无序系统。

  • 玻璃态(Glassy State)、非晶形固体(Amorphous solid):或称非晶体、无定形态(amorphous state),一种非平衡态,拥有类似液体的不规则结构,但分子间的运动相对不自由,非晶态物质原子的排列具有近程有序、长程无序的状态,宏观上表现为各向同性(isotropy)。其中的原子不按照一定空间顺序排列,没有规则的几何外形,没有固定的熔点和各向异性。由于长程无序而使其内能并不处于最低状态,属于亚稳相,向晶态转化时会放出能量。常见的非晶态固体有高分子聚合物、氧化物玻璃、陶瓷玻璃,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。玻璃态(Glassy State)的物质是粘度非常大的液体,大到它们甚至不会流动的程度。玻璃就是玻璃熔体经过过冷,然后再进行快速冷却得到的物体。非晶态物质中的存在玻璃相变、Gardner相变和jamming相变。可以分为慢冷玻璃和快冷玻璃。气相沉积法制备出高致密玻璃,这种超稳定玻璃有着极高的动力学稳定性和其他异常性能。平衡态只有一个,即自由能最低的晶体,但经过在TK附近可能的热力学转变后的最稳定玻璃态具有接近于晶体的熵,即理想玻璃(ideal glass)
    • 多晶(polycrystal):由许多晶格取向不同的晶畴组成,平均晶畴直径小于100 nm的多晶也叫纳晶,目前超细纳晶直径有几纳米,即十几个原子直径,更加细小的晶畴往往不稳定,超细晶畴多晶(Superfine domain polycrystal)趋向于玻璃态。部分自由度上的无序系统还可以进一步和具有缺陷的半无序系统组合出更多的半无序系统,比如多晶状的液晶结构。
    • 过冷液体(Supercooled Liquid):液体在结晶温度以下为亚稳态的过冷液体。液体越纯净,结晶中心越难形成。如果降低至凝固点以下仍未形成,则过冷。当用适当的方式缓慢冷却饱和溶液时,可使其变成过饱和而不析出溶质的结晶,这种现象也称为过冷,这种溶液称为过冷溶液。过冷溶液也是不稳定的。,快速降温可以使过冷液体中的粒子来不及排列成能量最低的晶体结构就互相卡住,凝固成无序的玻璃态。
    • 过冷气体(Supercooled Gas):气体处于过冷状态(或称过饱和状态)常见有两种物理情况,一是气体中液体凝聚核半径过小,或是气液交界面是曲面。过冷气体也是亚稳态的。气相粒子沉积在一起显然也可以形成无序固体。
    • 液晶弹性体(Liquid Crystal Elastomers):本质上是具有液晶性质的类橡胶,当暴露于光、热、气体和其他刺激物时,它们可以弯曲、起皱或伸展。取向有序位置无序的向列型液晶及其相关固相。
    • 塑性晶体(plastic crystal):液晶分子可以由棒状胶体粒子代替;棒状胶体粒子位置有序取向无序的旋转相(rotator phase)。
    • 单层阻挫胶体晶体(monolayer Frustrated Colloidal Crystals):有序晶格中粒子的软硬度无序;xy 平面内为有序三角晶格,而在z 方向为无序的上、下两个伊辛态。
  • 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)有珍珠、泡沫塑料、烟水晶等。胶体粒子像一种可以被设计制造的“大原子”,比如通过化学合成、光刻等方法可以制备出各种大小和形状的胶体粒子,而通过调节胶体表面聚合物或电荷、加入磁性材料、调节溶液性质等方法可以改变粒子间的作用势。
    • 凝胶(Gel):又称冻胶。高分子溶液和某些溶胶在一定条件下互相连接,形成空间网状结构,结构空隙中充满了作为分散介质的液体(在干凝胶中也可以是气体,干凝胶也称为气凝胶),整个体系会转变成一种弹性的半固体状态的稠厚物质,失去流动性。这种现象称为胶凝作用(gelation),所形成的产物叫做凝胶或冻胶。气凝胶(Aerogel)是指分散系为气态的,如:云,雾等,固凝胶,液凝胶就是呈液态的胶体,如氢氧化铁胶体。胶体小球形成凝胶往往需要数密度低的短程吸引粒子,数密度高时形成玻璃态。
  • 超齐构体(hyperuniformity):亦称无序超均匀态(amorphous Hyperuniform Fluids)超同质体(superhomogeneity),根据粒子空间的分布,一般可将物质分为有序态和无序态。前者包括周期性排布的晶体以及准晶,后者则包括气态,液体,玻璃态等。无序超均匀态,一种介于无序和有序之间的一种新的物态,即这种物态首先是无序的(粒子的分布显得毫无规律),但是却有着和晶体一样的均匀性。缺少平移对称性,但却能像晶体一样产生光子带隙。不同于各向异性的光子晶体带隙,无序超均匀态的光子带隙是各向同性的,而且更容易打开。鸡类的视锥细胞是一种同时兼具偶然性和高度均匀性的分布模式,在质数的分布,等离子体,硬球的密堆积,宇宙大尺度结构,软物质胶体等体系中也发现了超均匀态存在的线索。超齐构体系统主要分为两类。第一类是在系统达到平衡状态(equilibrium)时呈现出的超齐构体分布,准晶体——一类内部原子不遵守重复规律排布,却能完全镶嵌满空间的固体就是其中之一。在第一类超齐构体系统(平衡系统)之中,同一系统中微粒间的相互斥力使不同成分间保持距离,从而维系超齐构体状态。第二类超齐构体属于非平衡系统,组成系统的微粒之间相互碰撞,但彼此之间不存在相互斥力,必须要有外力施加于这些系统才能使系统维持超齐构体的状态。玻璃弹珠、乳浊液、胶质及冷原子系综都属于上述类型。而在非平衡超齐构体这一大类中,乳浊液的超齐构体是可以被特定振幅的晃动所诱发的,这一振幅标志了材料从可逆到不可逆性的临界转变,当体系以低于临界振幅的幅度晃动时,分散在乳浊液体系中的微粒在每次晃动停止之后还可以回到它们之前的相对位置;而当体系以高于临界振幅的幅度晃动时,微粒的运动就是不可逆的了。至于鸟类眼睛中,被科学家们称为“多视锥超齐构体”(Multihyperuniform)的五色分布模式。
    • 超均匀活性流体态(Hyperuniform Fluids of Circle Active):这种流体态的特殊之处在于在大尺度上具有和晶体相似的超均匀性,但在小尺度上却可以永不停歇的聚集消散,表现出大涨落。从材料学角度上看,这种超均匀流体有望成为和光子晶体对应的“光子液体”(photonic liquids)。活性粒子是指不依靠外界能量而自发运动的非平衡粒子组成活性物质,包括鸟群,鱼群,人群,细胞组织,细胞的微管微丝,以及依靠化学反应的自驱动胶体颗粒,他们表现出很强的集体运动行为。活力物质一个显著的特征是不需要吸引就可以通过信息传递或者一些非平衡态机制自发聚集,表现出“巨涨落”,气液相分离等复杂的性质。活力物质的大涨落特性意味着体系密度分布极端地不均匀。这和超均匀性背道而驰。如果体系密度较高或者粒子旋转半径比较大,由于空间的限制,粒子间的碰撞将不会衰减,体系就会处于一种持续碰撞并扩散的活力流体态(active state),并且自发产生超均匀性。
  • 软凝聚态(soft condensed state):或称软物质,介于常见流体与固体之间的一类物质,涵盖了大量与日常生活和工业相关的各种不同系统,从聚合物到胶体,从液晶到表面活化剂,从肥皂泡到大分子溶液。软物质表现出与固体和液态不同的特性,它经常有更多丰富和多变的形貌,最突出的性质是它的自组织能力,理解这些体系的自组装和结构相变对新材料的制备和新结构的实现是非常重要的。随着系统复杂程度的增加,仅仅有相互作用还不能决定物质结构的最后状态。因此跟传统的流变学所研究的物质应该在很大程度上有所重叠,区别是流变学关注这类物质的力学行为,比如本构本构关系及力学表现,软凝聚态物质则更关注尺度效应、扰动/布朗运动对软凝聚态物质的影响和这类物质表现出的自组装(self-assembly)特性。
  • 粉态(micromeritic state):粉体是无数个固体粒子集合体的总称。粒子是指粉体中不能再分离的运动单位。但习惯上,将≤100μm的粒子叫“粉”,>100μm的粒子叫“粒”。通常说的“粉末”、“粉粒”或“粒子”都属于粉体学的研究范畴。将单一结晶粒子称为一级粒子(primary particle),将一级粒子的聚结体称为二级粒子(second particle)。由范德华力、静电力等弱结合力的作用而发生的不规则絮凝物(random floc)和由粘合剂的强结合力的作用聚集在一起的聚结物属于(agglomerate)二级粒子。

纳米相、分子相编辑

  • 超材料(Metamaterial)超表面(Metasurfaces):是指一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。通过在材料的关键物理尺度上进行结构有序设计,可以突破某些表观自然规律的限制,从而获得超出自然界固有的普通性质的超常材料,达成特殊功能。超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。 超表面可视为超材料的二维对应。典型的超材料有仿生超材料生物超材料智能超材料软性材料记忆材料数字超材料可调超材料纳米复合材料高效防冰材料自我修复材料热电材料辐射制冷超材料超疏水材料左手材料光子带隙材料光子晶体声子晶体光学超晶格声学超晶格电磁晶体负曲率光纤金属水离子液体液态金属无声金属磁性液体量子点钙钛矿隐身斗篷完美透镜全光信息元器件光操纵材料电磁超材料光学超材料声学超材料热力学超材料力学结构超材料负泊松比超材料五模式反胀力学超流体超材料负热膨胀超材料负压缩性结构材料轻质超强度力学超材料可调杨氏模量力学超材料)、弹性超材料无耗能电子材料隔音超材料声电复合超材料磁光效应材料超磁性材料非线性光学超材料零折射率超材料负折射率材料非正定介质材料人工磁导体频率选择表面可重构超表面复合超表面时变超表面双曲超材料梯度超材料莫尔手性超材料活化太赫兹超材料可调介质超材料磁可调介质超材料电可调介质超材料温度可调介质超材料光可调介质超材料隐身材料红外隐身材料雷达隐身材料可见光隐身材料声隐身材料激光隐身材料)、基于传输线结构的超料等离子结构的超材料双负(负等效质量密度、负等效弹性模量)弹性超材料等等。
  • 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。
  • 纳米态(nanometer state):物质构成的过程中在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子,显著地表现出许多新的特性。纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。纳米效应就是指纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性。纳米技术是指在0.1~100纳米的尺度里,研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的技术,以控制单个原子、分子来实现特定的功能,利用电子的波动性来工作的,包括分子纳米技术、纳米级微加工技术、生物纳米技术。
  • 分子监狱(Carcerand)半-分子监狱(Hemicarcerand):分子监狱是指一类闭合的分子容器,据有较大空腔没有出入口。能够使客体分子完全陷入其中,即使在高温条件下也不能脱离出来。这种类型的分子是在1985年由唐纳德·詹姆斯·克莱姆 (Donald James Cram)首次描述的。由于其构造和监狱相类似,而且形成稳定络合物分子,所以也称此种络合物为牢笼式络合物(Carceplex)。与分子监狱相对的是半-分子监狱,在常温下则会形成稳定的络合物,但在高温下能让客体分子自由进出其空腔,这种络合物是也称半牢笼式络合物(Hemicarceplexes)。这些客体分子存在的物态不同于常见的相态。这些分子容器内的化合物作为内相时,可观察到完全非同一般的络合反应,可防止它们与其他分子发生反应。
  • 姜-泰勒金属(Jahn-Teller Metallic):集绝缘体、超导体、金属和磁体的特性于一体的新物质形态。2015年日本化学家通过将铷原子引入C60中,改变了碳原子之间的距离,强迫其形成了一种新的晶体结构。这个名字来自姜-泰勒(Jahn-Teller)效应,该效应形容在低压环境下,电子状态下呈几何排列的分子和离子能发生扭曲,这种新物质状态能通过简单施压将绝缘体变为导体,且这种效果能持续一段时间,而分子还能维持其原有的形状。因此这种物质形态会有各种重叠,暗示着能将绝缘材料变为超导体。这种C60晶体结构在相对较高的临界温度下能变为超导体。
  • 单晶状三维结构液滴(single-crystal-like 3D structural droplets):单晶体具有坚固的多面体形状,但这种新物质的形状类似液滴,而且具有流动性,表现出了结构特性与运动性相矛盾的性质。在重力作用下,该液滴状物质可以在不破坏结构顺序的同时,单向旋转并流动。这种单向旋转流动的特性是通过分子的手性实现的。研究人员设计了侧链带手性酯基的三亚苯衍生物(chiral discotic triphenylene)自组装,调查了其相变动作和聚集的构造,发现该物质的中间相层叠了由独具特色的人字形结构的二维薄膜,形成了像单晶体一样的三维结构。
  • 笼目金属(Kagome Metallic):传统的日本篮子编织技术融合了一种称为“Kagome”的图案,其由交错排列的对称三角形组成,联合正三角形和正六边形组成二维kagome晶格。如果金属或其它导电物质的原子可以以这种模式排列,则所得到的材料可能展示出奇特的电子特性。电流中的电子不像预期的那样直接流过晶格,而是沿着圆形边缘流动且不会损失能量。

高能量态编辑

  • 超臨界流體(Supercritical fluid):也叫超临界态,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。
  • 流动固体(flow Solid):同一物质同时拥有晶体和液体的特性,显示了长程有序的晶体特征和液体流动行为共存。在流动固体中,原子的迁移能力与液体不相上下,并具有一定的各向异性,其中原子大范围的迁移运动通过分析分子动力学的原子运动轨迹清晰可辨,但它们在长时间、系综统计的意义上是相互关联的,并形成规则的网格结构。这些运动轨迹的长时间系综平均给出了完整有序的原子密度分布,显示了该相所具有的长程有序、各向异性等晶体特征。如果将原子扩散按不同方向投影,分解出的均方位移清晰地展示了原子移动的各向异性特征。
  • 链融态(chain-melted state):其中原子可同时以固态和液态存在,计算机模拟对原子施加高温高压会导致两个相互链接的固体晶格结构的形成,其中一个晶格中原子之间的化学相互作用很强,当结构被加热时它们保持固态;而其他原子则熔化成液态。在合适的条件下,包括钾、钠和铋在内的六种以上的元素能以新发现的这种状态存在。
  • 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。
  • 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。
  • 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。
    • 超级固态(super solid state):在140万大气压下,物质的原子就可能被“压碎”,电子全部被“挤出”原子,形成电子气体,裸露的原子核紧密地排列,物质密度极大。该状态下的物质类似一种晶体固态,但能像滑润的、无粘性的液体那样流动。
    • 温稠密物质(warm dense matter,WDM):这是一种达到0.1~100 eV的中高温状态极端状态,而它的密度相当于具有完全或部分简并电子的强耦合等离子体。其电子处于部分电离、部分束缚的状态,成分包括自由和束缚电子、离子、原子、分子以及它们组成的束团,一般处于高压状态。通常这类物质具有高的能量密度特征。WDM通常仅仅在实验室或星际中大于1 Mbar的压力下才会存在,例如棕矮星、古老恒星的外壳、白矮星等天体中;或在能产生高压的天文现象中也会出现,如超新星爆炸、天体碰撞和天体喷射等。
    • 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
      • 非金属单质转化金属态:所有的非金属单质均可在一定条件下转变为金属形态。60年代,通过高压制备了“金属碘”,然后黑磷等等的发现也在逐渐证实这一观点。逐渐地,硫等等单质均被高压所征服。而氢所在的IA族,只有氢元素不是金属,其下的Li~Fr都是。北京高压科学研究中心的研究者将氯压缩至300 GPa(三百万大气压)以上,利用可见光吸收光谱观察到带隙随压力施加而逐渐减小,最终在200 GPa附近完全闭合, 这一发现被认为是氯分子金属化出现的特征。当压力进一步增加到241 GPa时,拉曼光谱上显示出所有分子振动模式的消失,意味着氯分子键的断裂—氯分子被解离成原子形式,此时仍具有金属特性,为原子态金属。
      • 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。固态分子氢主要具有3个相,绝缘量子分子相(I)、低温对称性破缺相(II)和分子金属相(III),三相交于一个三相点(153 GPa/120 K)。在250GPa以上,固态氢变得不透明,可能有部分分子裂解成为单原子,处于一种氢分子与氢原子共存的相。在极端高压下,氢分子会发生分解,形成的全新物质形态固体金属氢原子,第四状态氢,在接近室温的条件下对氢气施加高达230吉帕斯卡(GPa)的压力,得到一种氢分子和氢原子的混合状态,并将其称为第五状态氢,极有可能是完全由氢原子构成的金属氢的前体。之后可能还有一个第六状态,也就是原金属氢。2017年1月,哈佛大学的研究团队宣布在接近绝对零度的495吉帕斯卡(GPa)在超低温和超高压条件下下,获得了金属氢。质子在密集的状态下,零点能也很高,在高压缩状态下,有序能会降低,变成有良好导电性质的液体,成为液态金属氢。有理论称亚稳态金属氢(简称MSMH)在压力释放之后,可能不会立即恢复成普通氢气。2019年山东大学研究团队研究表示,束缚于碳纳米管的准一维氢在163.5GPa(即163.5万倍大气压)下可以变为准一维金属态,其超导的临界温度也接近室温。
    • 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。
  • 辐射场态(Radiation field matter):又叫真空(vacuum)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。场是弥散于全空间的,比如电场、引力场、磁场等等。场的物理性质可以用一些定义在全空间的量描述,这些场量是空间坐标和时间的函数,它们随时间的变化描述场的运动。

甚高能量态编辑

  • 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)。

其他编辑

  • 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。

相的周期表编辑

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]

物质的有能隙量子相
量子化的粒子长程纠缠,产生被称为拓扑序的全局特性 量子化的粒子短程纠缠,全局的拓扑序由局域对称性产生
不出现对称性破缺 出现对称性破缺 不出现对称性破缺 出现对称性破缺
超导相 整数霍尔效应态 手性自旋液体相 Trivial(平凡) 拓扑绝缘体 Z->2Z(二聚物相)
p+pi费米子对 Z2量子自旋液体 奇数自旋 Haldanel 相 CZX halozeotype 态 Z2->1(lsing 铁磁相)
阿贝尔分数量子霍尔态相 非阿贝尔分数量子霍尔态相 G-对称性保护拓扑态 更多的相
Haah 编码(拓扑序未知)


参见编辑

参考资料编辑

  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