Вещество имеет не три, а 500 фаз

Даже школьнику известно, что вещество имеет три фазы: жидкую, твердую и газообразную. Однако в результате грандиозной реклассификации фаз насчитали не три, а 500.

Раздел физики, описывающий фазы вещества, называется физикой конденсированных состояний. Ключевым фактором классификации фазовых состояний является симметрия в расположении атомов.

Образцом материи с крайне высокой симметрией считается вода. Если представить, что сквозь воду «пролетает» крошечный корабль, то вокруг этого корабля атомы образуют беспорядочный водоворот, который будет совершенно идентичен со всех сторон. Если такой корабль «врежется» в лед, то можно будет наблюдать иную картину: атомы образуют регулярные кристаллические структуры, напоминающие балки строящегося небоскреба. Конечно, тут тоже наблюдается периодичность, но если сравнивать с абсолютно изотропной жидкостью, то во льду симметрия нарушена.

Ранее для классификации различных фаз веществ использовалась парадигма Ландау, которая позволяла описать все фазовые состояния через анализ нарушения симметрии. Но теперь ученые обнаружили несколько фаз, у которых по Ландау степень симметрии одинакова, однако они отличаются по топологической упорядоченности. Таким образом, они выходят за рамки использовавшейся ранее парадигмы.

Под топологической упорядоченностью подразумеваются закономерности не симметрии материи, а квантовых свойств веществ – запутанности частиц. Это свойство вообще нельзя описать при помощи симметрии атомов. Чтобы было понятнее, о чем идет речь, представьте себе город: дома – это атомы, расположенные более или менее симметрично, а топологическая упорядоченность может быть описана никак не упорядоченностью домов, а симметрией невидимых связей между ними, например, информационных потоков телефонной системы.

Группа физиков во главе с Вэнь Цзябао разработала новую систему классификации фазовых состояний, которая позволит учесть все виды симметрии, как симметрии материи, так и квантовых свойств.