Stanja, kakršnih si sploh ne predstavljaš

Stanja, kakršnih si sploh ne predstavljaš

Ob spremembah temperature, ki smo jih deležni v decembrskih dneh, opazimo tudi spremembe okolice: očala se rosijo ob vstopu v tople prostore, zunaj se sapa spremeni v majhen oblaček, iz čaja se kadi in na oknih se pojavijo zanimivi vzorci, podobni snežinkam. V splošnem razumemo, da gre za spremembo agregatnih stanj zaradi znižanja temperature. Ampak - ali res razumemo, kaj se okoli nas dogaja? Da bi sebi in vam nekoliko razjasnili te pojave, smo se odločili, da v današnji oddaji Frequenza della scienza povemo nekaj o agregatnih stanjih in o dejavnikih, ki povzročijo njihovo spremembo. Tekom oddaje bomo spoznali, da se vse snovi v vesolju ne nahajajo le v osnovnih stanjih, ampak da nas obkrožajo tudi bolj eksotični primeri stanj, ki jih ne moremo opisati s klasično fiziko.

Vsi predmeti, ki se jih v vsakdanjem življenju lahko dotaknemo, jih stisnemo ali se vanje morda celo zaletimo, so sestavljeni iz atomov. Ideja, da je snov sestavljena iz velikega števila majhnih delcev, je zelo stara in se je pojavila v mnogih starodavnih kulturah, kot sta denimo antični Grčija in Indija. V klasični fiziki, ki opisuje vsakodnevne pojave, je snov definirana kot karkoli, kar ima maso in zavzema prostor tako, da ima prostornino. Ta definicija vključuje atome in tudi vse, kar atomi sestavljajo, ne pa tudi energijskih fenomenov ali valovanj, med katere uvrščamo svetlobo in zvok. Na koncu nocojšnje oddaje bo beseda tekla tudi o konceptih moderne fizike o snovi in osnovnih delcih, ki mase ali volumna nimajo.

V splošnem poznamo štiri osnovna stanja: trdno, kapljevinasto in plinasto agregatno stanje ter plazmo. V vsakodnevnem govoru kapljevine imenujemo kar tekočine, tako jih bomo tudi mi v nocojšnji oddaji. Nekateri znanstveniki pa pod tekočine uvrščajo tako kapljevine kot pline. Osnovna stanja nam predstavi profesor Anton Meden, predstojnik Katedre za anorgansko kemijo Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo:

Izjava

Poleg štirih osnovnih nam profesor Meden predstavi še eno zanimivo stanje, ki mu pravimo nadkritično:

Izjava

Kot nam pove doktor Anton Meden, se nadkritično stanje pojavi ob približanju kritični točki, pogojeni s tlakom in temperaturo. Ko kapljevino segrevamo v zaprtem prostoru, se njena gostota zmanjšuje, gostota plinaste faze pa se povečuje. V kritični točki se gostoti faz izenačita, tako da ju ne moremo več ločiti, saj površinske napetosti in s tem fazne meje ni več. To pomeni, da snov ne tvori več kapljic.

Fazna meja kapljevin je zelo očitna, saj si denimo gladino vode zelo enostavno predstavljamo, ima pa ta zanimivo lastnost, ki ji pravimo površinska napetost. Kaj je to, nam razloži doktor Meden:

Izjava

Tako kot površinska napetost je za tekočine značilna še viskoznost. Profesor doktor Meden nam pove:

Izjava

Viskoznost je torej definirana kot upor tekočine strižnim silam, ki si jih lahko predstavljamo kot notranji upor med molekulami tekočine. Zelo enostaven miselni poskus, ki nam oriše viskoznost, je sloj medu med dvema ploščicama. Če ploščici v sredini namažemo z medom, preden ju postavimo eno nad drugo, nato pa poskusimo ploščici vleči horizontalno vsako v eno smer, opazimo, da bomo morali uporabiti kar nekaj sile, da ju bomo premaknili. To se zgodi zato, ker se vse molekule znotraj medu ne premikajo v enako smer in medtem ko določeno smer vsiljujemo s premikanjem ploščic, se neko število molekul temu upira. Kot pa omeni tudi prof. dr. Meden, moramo paziti, da viskoznosti ne zamenjujemo z gostoto. Gostota je fizikalna količina, ki je definirana za homogena telesa in nam pove, kakšno maso ima točno določena prostornina snovi.

Četrto in morda najbolj neobičajno stanje snovi, s katerim se ne srečamo tako zelo pogosto, je stanje plazme. Tako stanje se pojavlja le pri zelo ostrih pogojih, to je visoki temperaturi in nizkem tlaku. V plazmi so atomi v ioniziranem stanju, kar pomeni, da je atomu odvzet elektron. Ker je plazma torej sestavljena iz številnih ionov, si jo lahko predstavljamo kot žele jeder, ki jih obkroža oblak elektronov. Iztrgati elektron iz atoma je energijsko zelo potraten proces. V vesolju se velike količine energije sproščajo v procesu jederskega zlivanja v zvezdah, zato so zvezde plazemske. Plazmo nam opiše doktor Anton Meden:

Izjava

Plazmo ste morda opazili tudi drugje, na primer v plazemskih kroglah, v katerih se plazemske žile ob dotiku večje steklene krogle povežejo z dlanmi, ob tem pa se zaradi elektrostatike naelektrijo lasje in se dvignejo v zrak. Omenimo pa še proces, pri katerem je plazma pomembna, in sicer jedrsko zlivanje oziroma fuzija, kjer sta si najmanj dve atomski jedri dovolj blizu, da se združita v enega in ob tem oddata veliko energije in druge delce. Zlivanje se dogaja pri 100 milijonih kelvinov. Pri tej temperaturi je snov v plazemskem stanju in je zato ključno znati zadrževati nastajajoče ionske delce, kar počnejo s pomočjo močnega magnetnega polja.

Do sedaj smo razložili delovanja stanj snovi na ravni, ki nam je vidna. Spustimo se zdaj na molekularni nivo in poskusimo razumeti medmolekularne procese, ki rezultirajo v spremembah, še vedno vidnih s prostim očesom. Razlaga profesor Anton Meden:

Izjava

Zdaj torej vemo, da vezi nastopajo na dveh nivojih: prvi nivo med samimi atomi, kjer so vezi zelo močne, in drugi nivo med molekulami, ki so skupki atomov, že povezanih med seboj. Pri nekaterih snoveh so medmolekulske vezi šibkejše, zato lahko z manjšim vložkom energije prehajajo med agregatnimi stanji.

Izjava

Nekaj smo izvedeli tudi o ionskih tekočinah, ki so, poenostavljeno, definirane kot soli, ki imajo tališče pod 100 stopinjami Celzija. Ko pa ionski kristali, med katere sodi na primer kuhinjska sol, razpadajo, bodo zelo reaktivni delci takoj prešli v elementarna stanja, saj je plazemsko stanje v takem primeru energetsko nestabilno.

Zdaj, ko smo napeli svoje možgane in potrebujemo kratek počitek, se lahko za nekaj minut prepustimo glasbi. V nadaljevanju se bomo podrobneje ukvarjali s stanji, za katera ste morda kdaj sicer slišali, ne pa o njih tudi česa več izvedeli. Ostanite z nami na valovih 89,3 MHz.

Na valovih Radia Študent še vedno poslušate oddajo Znanstvene redakcije Frequenza della scienza o stanju snovi. V prvem delu oddaje smo spoznali osnovna stanja: trdnine, tekočine, pline in plazmo. Vendar že v vsakdanjem življenju prihajamo v stik s snovmi, ki jih ne moremo umestiti v nobeno od omenjenih stanj. In prav o teh snoveh bo govora v nadaljevanju.

Primer take snovi je steklo. Morda ste že kdaj slišali, da naj bi steklo bilo zelo viskozna tekočina. Kot smo pojasnili v prvem delu oddaje, visoka viskoznost pomeni, da se tekočina upira gibanju in torej teče zelo počasi. Naj že takoj omenimo, da steklo pri sobni temperaturi ni tekočina, pač pa trdnina. Vendar posebne vrste, in sicer nekristalinična amorfna trdnina.

Dokaz, da steklo zelo počasi teče navzdol, naj bi bile šipe starih zgradb, ki so debelejše na spodnji strani in vitkejše na zgornji. Toda obstajajo tudi take, ki so, ravno nasprotno, zgoraj debelejše in spodaj vitkejše. Pravi odgovor, zakaj so šipe v starih zgradbah na enem koncu debelejše kot na drugem, pa se skriva v nekdanjem načinu izdelave stekla. Do nedolgo nazaj je bilo namreč težko narediti enakomerno debelo steklo. Šipe so bile tako ponavadi na enem koncu debelejše kot na drugem in običajno so jih obrnili tako, da je bil debelejši konec spodaj, vitkejši pa zgoraj. Kdaj pa tudi obratno.

Steklo torej ne teče. Se pa razlikuje od običajnih trdnin, saj njegovi osnovni delci niso urejeni v ponavljajočo se tridemenzionalno strukturo, imenovano kristalna mreža, pač pa so med seboj povezani brez posebnega vzorca. Takim snovem pravimo amorfne trdnine.

Skoraj vsaka snov lahko preide v amorfno trdnino, če jo zelo hitro ohladimo. Primer je voda oziramo led. Kot nam pojasni profesor Rudolf Podgornik z ljubljanske Fakultete za matematiko in fiziko, je amorfen led celo najpogostejša modifikacija ledu v vesolju.

Izjava

V amorfni trdnini lahko morda opazimo povprečno razdaljo med atomi in morda celo značilne kote med njimi. Vendar opazimo tudi veliko odstopanj od teh povprečnih razdalj oziroma značilnih kotov, kar se kaže kot zelo neurejena mikroskopska zgradba. Ta neurejenost sicer nekoliko spominja na neurejeno zgradbo tekočin. Vendar gradniki amorfnih trdnin nimajo toliko svobode gibanja kot v tekočinah ter imajo za razliko od tekočin stalno obliko in volumen. Amorfne trdnine torej ne tečejo, vsaj dokler jih ne segrejemo nad tako imenovano temperaturo faznega prehoda.

Kristalinična trdnina ima zelo oster prehod iz trdnega v tekoče stanje. Predstavljajmo si taljenje ledu: razlika med tekočo fazo, vodo in trdno fazo, ledom, je očitna. Amorfna trdnina pa nima tako izrazitega prehoda. Zaradi neurejene zgradbe je v amorfni trdnini prisotnih več tipov interakcij med delci. Posledično so potrebne tudi različne količine termične energije, da se te interakcije porušijo. Ali z drugimi besedami: pri segrevanju bomo najprej porušili najšibkejše interakcije, močnejše pa bodo vztrajale tudi pri nekoliko višjih temperaturah.

Pri določeni temperaturi atomi amorfne trdnine prejmejo dovolj energije, da postanejo toliko mobilni, da se lastnosti snovi spremenijo. Amorfna trdnina dobi lastnosti viskozne tekočine. Pri steklu je ta temperatura okoli 500 stopinj Celzija pri atmosferskem tlaku. V takem razmehčanem stanju se lahko steklo piha, valja, vleče in uliva v različne kalupe.

Poleg amorfnih trdnin obstajajo še druga zanimiva stanja snovi. Primer so tekoči kristali. Verjetno ima prav vsak izmed nas v lasti kakšen tekočekristalni zaslon, z angleško kratico LCD. Razen v zaslonih pa se tekoči kristali nahajajo tudi v našem telesu. Primer so celične membrane.

S pojmom tekoči kristali poimenujemo stanje snovi, ki je med tekočim in trdnim. Tekoči kristali lahko tečejo, vendar so molekule urejene tako kot v kristalih. Gradniki snovi, ki lahko obstaja v stanju tekočih kristalov, so pogosto podobni paličicam, ploščicam ali kakšni drugi obliki, ki predpostavlja ureditev gradnikov v določeni smeri.

Obstaja več različnih vrst tekočih kristalov. Tako imenovani termotropni tekoči kristali obstajajo le v v določenem temperaturnem območju. Če je temperatura nižja, postanejo navadni, trdni kristali. Če je temperatura višja, pa se zaradi termičnega gibanja molekul poruši red in tekoči kristal postane tekočina. Veliko termotropnih tekočih kristalov pri različnih temperaturah obstaja v različnih fazah. Faze se med seboj razlikujejo glede na poravnavo molekul. V nekaterih fazah so molekule razporejene v sloje, znotraj katerih se lahko gibljejo, ne morejo pa se pomešati med različnimi sloji. V drugih fazah se molekule lahko gibljejo prosto, vendar so vse poravnane v isto smer.

Liotropni snovi je treba dodati določeno topilo, da postane tekoči kristal. Primer take snovi so celične membrane, ki so v glavnini sestavljene iz molekul, imenovanih fosfolipidi. Del molekule fosfolipida je polaren in ta del se v polarnem topilu, kot je denimo voda, usmeri k topilu. Fosfolipidi se uredijo tako, da nepolarni del molekule ni v stiku z vodo. Kot smo že omenili, termotropni kristali obstajajo le v določenem temperaturnem območju. Analogno liotropni tekoči kristali kažejo lastnosti tekočih kristalov le v območju določenih koncentracij.

V nadaljevanju oddaje bo beseda tekla o stanjih, ki jih ne moremo opisati s klasično fiziko. Ostanite z nami na 89,3 MHz.

Pozdravljeni nazaj v oddaji Frequenza della scienza, kjer smo danes že govorili o različnih tipičnih ali malo manj tipičnih stanjih, v katerih srečamo snovi. Do zdaj omenjena stanja so kljub izvoru na mikroskopski ravni pojavi, ki jih opiše klasična fizika. V nadaljevanju pa omenimo še nekaj povsem drugačnega: makroskopska kvantna stanja.

Nizke temperature dovolijo manifestacijo kvantne narave snovi. Da razložimo: temeljni delci se sami po sebi obnašajo bistveno drugače, kot vidimo mi - po navadi pri sobni temperaturi in tlaku. Za pravilen opis obnašanja, ki se pojavi pri nizkih temperaturah, je potrebno znanje kvantne mehanike, ki odkriva nova nenavadna stanja. To so skupinska ali koherentna obnašanja kvantov snovi.

Eden izmed postulatov kvantne mehanike je neločljivost delcev. Ta pravi, da ne obstaja eksperiment, s katerim bi lahko na primer ločili dva elektrona med sabo. To pomeni tudi, da je kvantno stanje povsem enako, če take delce med seboj zamenjamo. Vendar obnašanje ni povsem enako za vse delce. Operacija “zamenjaj dva delca med sabo” določuje tip delca. Tako govorimo o delcih, ki se obnašajo kot fermioni ali bozoni.

Delci se, kot rečeno, razlikujejo po tem, kaj se zgodi s stanjem po zamenjavi dveh delcev. Za fermione tako imenovana valovna funkcija zamenja predznak, pri bozonih pa se to ne zgodi. Pomembna posledica tega dejstva je, da lahko fermioni neko stanje zasedejo samo enkrat. To je znano kot Paulijevo izključitveno načelo in velja med drugim tudi za elektrone.

Primer fermionov so elektroni, protoni in nevtroni. Kot bozoni pa se obnašajo nekateri atomi, kvanti svetlobe ali fotoni, kvanti zvoka v kovinah fononi, magnetni valovi magnoni in tako dalje. Atomi se glede na svojo sestavo lahko obnašajo kot ena ali druga vrsta delcev. Enako velja tudi za vse ostale delce, osnovne ali ne.

Vsakemu tipu delca pa pripada njegovo koherentno stanje. Pojav razloži doktor Martin Klanjšek z Instituta Jožef Stefan:

Izjava

Navadno si trdnino predstavljamo kot mrežo z mesti, na katerih živijo lokalizirani elektroni. Kot rečeno, sodijo elektroni v družino fermionov. Drugače rečeno pa imajo elektroni spin, konkretno spin ena polovica. Določitev velikosti spina pri fermionih pomeni izjavo o največji možni zasedenosti stanj. Stanji, ki se ločita po spinu, namreč štejeta za različni. Spin ena polovica pomeni, da je vsako stanje lahko zasedeno dvakrat: enkrat s spinom plus ena polovica, drugič pa minus ena polovica. Bližnji spini na mreži se med sabo čutijo - med njimi deluje tako imenovana Heisenbergova interakcija. Skupaj z dejstvom, da imajo spini majhen magnetni moment, to pomeni, da si spine lahko predstavljamo kot majhne magnetne iglice. Obstajata dva tipa interakcije med spini, o tem doktor Martin Klanjšek:

Izjava

Odsotnost ravno take ureditve tudi pri temperaturi 0 Kelvinov je tipični znak spinske tekočine. Navadno pravimo, da je tekočina neurejeno stanje - nima pravilne strukture. Odsotnost vsake ureditve pa je realizirana v posebnem tipu kvantnega stanja, ki jo imenujemo spinska tekočina. To lahko razumemo s primerjavo magnetnih stanj s klasičnimi, kot jo naredi doktor Martin Klanjšek:

Izjava

Povedano malo drugače, kvantna spinska tekočina je zelo prepleteno stanje oziroma je anomalno gromozanska kvantna superpozicija, v kateri sodelujejo čisto vsi spini v snovi. O tem vidiku več nekoliko kasneje. Takega stanja si v resnici niti ni tako nemogoče zamisliti, razloži doktor Martin Klanjšek:

Izjava

Kljub temu, da gre za eno-dimenzionalni primer in da mi vendarle živimo v treh dimenzijah, vseeno ni zelo privlečen za lase. Mnogo snovi se namreč v dobri meri obnaša, kot da bi bile eno-dimenzionalne. Gre za kristalne tvorbe, v katerih se nahajajo od svoje okolice izolirane “spinske niti”. Ker so daleč stran ena od druge se med sabo zelo slabo čutijo in se zato obnašajo, kot bi jim manjkalo nekaj dimenzij. Vendar je to samo model spinske tekočine, snov sama pa nas navadno zanima v bolj pogostem številu dimenzij.

Izjava

Pojav frustracije lahko v nekem smislu upraviči oznako “tekočnosti” stanja. Frustrirani spini se ne morejo naravno urediti, zato se ves čas spreminjajo iz enega deloma urejenega stanja v drugega. Tej sorti pretakanja med kvantnimi stanji rečemo kvantne fluktuacije.

V oddaji smo že omenili, da sodi spinska tekočina med koherentna stanja snovi. To so stanja cele snovi hkrati. Stanja nikakor ne moremo zakodirati na nek preprost način. Prepleteno stanje pa je več kot samo “navadna” superpozicija - vsebuje še zametke nelokalnosti. To pomeni, da k specifiki stanja ne prispeva samo nekaj sosednjih spinov, ampak vsi spini oziroma ves prostor. Lastnosti celotnega prostora in ne njegovih sestavnih delov imenujemo topološke lastnosti. Ti pojmi imajo naravno mesto v kvantni mehaniki in še posebno v kvantnih spinskih tekočinah. Nadaljuje doktor Martin Klanjšek:

Izjava

Ravno v kvantni spinski tekočini pa se izkaže, da so vozli v resnici nekaj naravnega. V fiziki obstaja teoretični model v dveh dimenzijah, znan pod imenom Kitaeva spinska tekočina. To je edini točno rešljiv kvantni sistem, ki nastopi kot spinska tekočina.

Izjava

To je direktna navezava na kvantno računalništvo in razlog, da so spinske tekočine postale posebno zanimive v zadnjih desetih letih. Z vozlom podobnimi qubiti ali kvantni biti bi se lahko izognili bistvenim problemom v inženirstvu kvantnega računalnika. Taki qubiti so namreč varni pred efekti sklopitve kvantnega sistema z nekvantnim okoljem. O kvantnem računalništvu smo v oddaji Frequenza della scienza že govorili, zainteresirano poslušalstvo pa je vabljeno k poslušanju pretekle oddaje na spletni strani.

Preden pa začnemo izdelovati vsak svoj topološki kvantni računalnik, moramo izvedeti, kje najdemo zanj primerne surovine. Izkaže se, da so kvantne spinske tekočine v resnici relativno redke. Težavo predstavlja tudi dejstvo, da je pri snoveh kandidatkah prisotnost dejanskega spinskega tekočinskega stanja težko potrditi. Spinsko tekočino kot neurejeno stanje je sicer enostavno zaznati, vendar se vsako neurejeno stanje ne obnaša kot spinska tekočina. Predvsem je smiselno opazovati že omenjene atipične vzbuditve, ki se pojavijo. Kot pravi doktor Martin Klanjšek:

Izjava

Take sorte eksperimentov potekajo tudi na Institutu Jožef Stefan; ekipa, v kateri je sodeloval današnji sogovorec, je svoje rezultate nedavno objavila v prestižni reviji Nature Physics (doi:10.1038/nphys421). Za izgradnjo kvantnega računalnika bi bila torej razumevanje kvantnih spinskih tekočin in znanje, kako jih narediti, ključnega pomena. Taka naprava bi pomenila bistven napredek v svetu simulacije kvantih dogodkov. Ti so namreč klasični komputaciji nedostopni oziroma so dostopni samo v obliki eksponentno kompleksnih algoritmov. Dolgočasovna simulacija razvoja večdelčnih kvantnih stanj je tako raziskovalcem, ki so opremljeni samo s klasičnim računalnikom, nedostopna ali pa zelo omejena.

Kljub temu, da gre pri kvantnih koherentnih stanjih za relativno redke pojave, nikakor ne gre za nepomembna stanja. Superprevodnost, koherentno stanje elektronov, je danes široko izrabljen pojav na vseh področjih, kjer potrebujemo močna magnetna polja. Mednje sodi medicinsko slikanje z jedrsko magnetno resonanco. Superprevodne snovi pa uporabljajo tudi v energetskih omrežjih na najbolj obremenjenih področjih, denimo na Manhattnu. Kot smo že omenili v oddaji, je tudi široko uporabljan laserski žarek koherentno stanje fotonov. Aplikacije teh in drugih eksotičnih stanj postajajo vedno pogostejše in pomembnejše, ta trend pa se bo v prihodnosti še nadaljeval. Razumevanje koherentnih in drugih eksotičnih kvantnih stanj bo imelo še bistveno večje posledice na širšo znanost.

Čez fazni prehod sta se sprehodila vajenca Martin in Dunia. Uvajala je Angelika.

Urednikoval je Arne.

Brala sta AMG in Biga.

Tehniciral je JureG.