حالت های مواد

احمد شكيب

كلاً مواد در جهان در شش حالت ظاهر مي شوند :

جامد، مايع، گاز، پلاسما، ماده چگال باس-اينشتين و حالت تازه كشف ‌شده: ماده چگال فرميوني.

مواد جامد در برابر تغيير شكل مقاومت مي‌كنند، آنها سخت و گاهي شكننده اند.

مايع‌ها به راحتي تغيير حالت مي دهندو به سختي متراكم مي‌گردند و شكل ظرف خود را مي‌گيرند.

گاز‌ها كم چگال‌تر اند و ساده‌تر متراكم مي‌شوند و نه‌تنها شكل ظرف محتويشان را مي‌گيرند، بلكه آن‌قدر منبسط مي‌شوند تا كاملا آن را پر كنند. در ترموديناميك بررسي قوانين گاز ها از گازهاي كامل استفاده مي شود . اين گازها معمولاً در شرايط استاندارد حالت گاز را به خود مي گيرند.

حالت چهارم ماده، پلاسما، شبيه گاز است و اما ذرات سازنده آن يون ها مي باشد. در جهان بيشتر مواد در حالت پلاسماهستند، مثل خورشيد و ساير ستارگان . پلاسما اغلب بسيار گرم است و مي‌توان آن را در ميدان‌هاي مغناطيسي به دام انداخت.

حالت پنجم با نام ماده چگال باس-اينشتين (Bose-Einstein condensate) كه در سال 1995 كشف شد، در اثر سرد شدن ذراتي به نام باسن‌ها (Bosons) تا دما‌هايي بسيار پايين پديد مي‌آيد. باسن‌هاي سرد در هم فرومي‌روند و ابر ذره‌اي كه رفتاري بيشتر شبيه يك موج دارد تا ذره‌اي معمولي شكل مي‌گيرد. ماده چگال باس-اينشتين شكننده‌است وسرعت نور در آن بسيار كم است .

ديبورا جين (Deborah Jin) از دانشگاه كلورادو كه گروهش در اواخر پاييز امسال ( 1382 ) موفق به كشف اين شكل تازه ماده شده‌است، مي‌گويد: وقتي شكل جديدي از ماده روبرو مي‌شويد بايد زماني را صرف شناخت ويژگي‌هايش كنيد. آنها اين ماده تازه را با سرد كردن ابري از پانصدهزار اتم پتاسيم - 40 تا دمايي كمتر از يك ميليونيم درجه بالاتر از صفر مطلق پديدآوردند. اين اتم‌ها در چنين دمايي بدون گران‌روي جريان مي‌يابند و اين نشانه ماده جديد بود. در دما‌هاي پايين‌تر چه اتفاقي مي‌افتد؟ هنوز نمي‌دانيم.

ماده چگال فرميوني بسيار شبيه ماده چگال باس-اينشتين (BEC) است. هر دو از فرورفتن اتم‌ها در دماهايي بسيار پايين ساخته‌مي‌شوند. اتم‌هاي BEC باسن اند و اتم‌هاي ماده چگال فرميوني، فرميون. باسن‌ها درهم فرومي‌روند، اما فرميون‌ها اينگونه نيستند. باسن‌ها اتم‌هايي هستند كه مي‌توانند در هم فرو روند. به طور كلي اگر تعداد (الكترون + پروتون + نوترون اتمي) عددي زوج باشد، آن اتم يك باسن است. مثلا اتم‌هاي سديم معمولي باسن ‌اند و مي‌توانند به حالت فاز چگال باس-اينشتين ادغام شوند. اما فرميون‌ها مطابق اصل طرد پائولي نمي‌توانند در يك واحد كوآنتومي در هم ادغام شوند. هر اتمي كه تعداد الكترون‌ها + پروتون‌ها + نوترون‌هايش عددي فرد باشد، مثل پتاسيم - 40 يك فرميون است. گروه جين براي مقابله با خواص ادغام‌ناپذيري فرميون‌ها از تأثير ميدان مغناطيسي بر آنها استفاده‌كردند.

ميدان مغناطيسي سبب مي‌شود اتم‌هاي تنهاي فرميون جفت شوند. قدرت اين پيوند را ميدان مغناطيسي تعيين مي‌كند. جفت‌هاي اتم‌هاي پتاسيم برخي از خواص فرميونيشان را حفظ مي‌كنند، ولي كمي شبيه باسن‌ها عمل خواهند‌كرد. يك جفت فرميون مي‌تواند در جفت ديگري ادغام شود - و جفت تازه در جفتي ديگر ...- تا سرانجام ماده چگال فرميوني شكل‌گيرد. در اثر اين پديده، گران‌روي (Viscosity) ماده به وجود آمده بايد بسيار كم باشد. جفت‌هاي فرميون مي‌توانند درهم فروروند و شبيه باسن‌ها عمل كنند. مشابه اين پديده را در ابررسانايي مي‌بينيم. در يك ابررسانا، جفت‌هاي الكترون (الكترون‌ها فرميون اند) مي‌توانند بدون هيچ مقاومتي جريان يابند. متأسفانه مطالعه و دسترسي به ابررسانا‌ها بسيار مشكل است. گرم‌ترين ابررساناي امروزي مي توانند در دماي (135- )درجه سانتيگيراد عمل مي‌كند و اين بزرگ‌ترين مشكل براي مطالعه و استفاده از آنهاست. قدرت جفت‌شدن شگفت‌انگيز در حالت جديد، دانشمندان را اميدوار كرده‌است كه بتوانند از يافته‌هاي خود درباره حالت تازه ماده، براي توليد ابررساناها در دماي اتاق استفاده ‌كنند.