Materia se organizează în diferite faze sau stări ale materiei în funcție de constituenții săi și de factori externi precum presiunea și temperatura. La temperaturi și presiuni obișnuite, atomii formează cele trei stări clasice ale materiei: solid, lichid și gazos. Moleculele complexe pot forma, de asemenea, diverse , cum ar fi cristalele lichide, care prezintă proprietăți intermediare între fazele lichidă și solidă. La temperaturi ridicate sau în câmpuri electromagnetice intense, atomii devin ionizați, formând plasmă.
La temperaturi scăzute, electronii din materialele solide se pot organiza în diferite faze electronice ale materiei, precum starea supraconductoare, caracterizată prin dispariția rezistivității. Stările magnetice, precum feromagnetismul și antiferomagnetismul, pot fi, de asemenea, interpretate ca faze ale materiei în care spinurile electronice și nucleare se ordonează în configurații distincte. Astfel de stări ale materiei sunt studiate în fizica materiei condensate.
În condiții extreme, întâlnite în unele stele și în universul timpuriu, atomii se dezintegrează în constituenții lor fundamentali, iar materia poate exista sub formă de materie degenerată sau . Aceste stări ale materiei sunt investigate în fizica energiilor înalte.
În secolul al XX-lea, aprofundarea cunoașterii proprietăților materiei a condus la identificarea unui număr mare de stări ale materiei. Lista de mai jos include câteva exemple reprezentative.
Stări de energie joase ale materiei
Stări clasice
Solid: un solid are formă și volum proprii, fără a necesita un recipient. Particulele sunt dispuse foarte aproape unele de altele. Solid amorf: solid în care nu există ordine pe distanțe lungi în aranjarea atomilor. Solid cristalin: solid în care atomii, moleculele sau ionii sunt aranjați într-o structură ordonată, periodică. : solid în care există ordine pe distanțe lungi, dar fără periodicitate strictă. Diferitele faze structurale ale materialelor polimorfe pot fi considerate stări distincte ale materiei în cadrul . Lichid: un fluid aproape incompresibil, care ia forma recipientului, dar își păstrează un volum aproximativ constant. Gaz: fluid compresibil care ia forma recipientului și se extinde pentru a-l umple. : stări ale materiei intermediare între solid și lichid. : solid molecular cu ordine de poziție pe distanțe lungi, dar în care moleculele își păstrează libertatea de rotație. Cristal lichid: stare cu proprietăți intermediare între lichide și cristale; poate curge ca un lichid, dar prezintă ordine de orientare pe distanțe lungi. Fluid supracritic: fluid cu proprietăți intermediare între lichide și gaze; la temperaturi și presiuni suficient de ridicate, distincția dintre lichid și gaz dispare. Plasmă: spre deosebire de gaze, alcătuite din atomi neutri, plasma conține un număr semnificativ de electroni liberi și ioni. Poate genera câmpuri magnetice și curenți electrici și răspunde colectiv la forțele electromagnetice.
Condens, superfluide și supraconductori
Condensat Bose–Einstein: fază în care un număr mare de bozoni ocupă aceeași stare cuantică, comportându-se colectiv ca un singur sistem cuantic macroscopic. Este o stare de energie joasă care poate fi obținută doar în condiții de laborator, la temperaturi foarte apropiate de zero absolut. Satyendra Nath Bose și Albert Einstein au prezis existența acestei stări în anii 1920, iar ea a fost observată experimental abia în 1995 de către Eric Cornell și Carl Wieman. : similar condensatului Bose–Einstein, dar format din fermioni, fiind cunoscut și ca condensat Fermi–Dirac. Principiul de excluziune al lui Pauli interzice fermionilor să ocupe aceeași stare cuantică, însă perechile de fermioni se pot comporta efectiv ca bosoni și pot ocupa aceleași stări cuantice. Supraconductor: material caracterizat prin rezistență electrică nulă și expulzarea câmpului magnetic (efect Meissner) atunci când este răcit sub o temperatură critică specifică. Supraconductivitatea reprezintă starea fundamentală a multor metale la temperaturi suficient de joase. Există mai multe tipuri de supraconductori: : supraconductor descris de teoria BCS, cu parametru de ordin de tip singlet. : supraconductor care rupe simetrii suplimentare, de exemplu cu undă d, triplet sau de tip . : materiale în care coexistă intrinsec feromagnetismul și supraconductivitatea. : stare propusă în care electronii formează cvadrupleți în loc de perechi Cooper. Superfluid: fază observată la unele lichide criogenice la temperaturi extrem de scăzute, în care fluidul poate curge fără frecare. Un superfluid poate urca pe pereții recipientului și poate forma atunci când recipientul este pus în rotație. Supersolid: stare ipotetică ce combină proprietăți ale solidelor și ale superfluidelor, putând curge fără frecare, dar menținând o structură rigidă.
Stări magnetice
Feromagnetism: stare a materiei caracterizată prin magnetizare spontană. Antiferomagnetism: stare a materiei în care spinii vecini sunt orientați antiparalel, rezultând magnetizare netă nulă. : stare în care momentele magnetice locale se compensează doar parțial, conducând la o magnetizare netă nenulă. : stare magnetică cu magnetizare macroscopică nulă, dar cu structură de benzi cu separare de spin. : stare ordonată în care densitatea de spin variază periodic în spațiu. : stare cu ordine magnetică elicoidală, în care direcția momentelor magnetice se rotește spațial. Sticlă de spin: stare magnetică dezordonată, caracterizată prin orientări aleatoare și înghețate ale spinilor. : stare dezordonată a unui sistem de spini cuantici interacționanți, care își păstrează dezordinea chiar și la temperaturi foarte scăzute, spre deosebire de fazele magnetice ordonate convenționale.
Stări ordonate electronic
Feroelectricitate: stare a materiei caracterizată prin polarizare electrică spontană. Antiferoelectricitate: stare a materiei în care dipolii electrici vecini sunt orientați în direcții opuse, rezultând polarizare netă nulă. : stare în care distribuția sarcinii electrice prezintă o structură ordonată spațial. : stare ordonată în care densitatea de sarcină este modulată periodic în spațiu.
Stări topologice ale materiei
: stare a materiei caracterizată prin conductanță Hall cuantificată. : stare cu cvasiparticule având sarcină fracționară; conductanța Hall este cuantificată la valori fracționare ale cuantumului de conductanță. : fază topologică teoretică în care curenții de spin pot circula fără disipare, cu aplicații potențiale în dispozitive electronice cu pierderi energetice reduse. : stare cu conductanță Hall cuantificată chiar și în absența unui câmp magnetic extern. : material al cărui volum se comportă ca un izolator electric, în timp ce suprafața prezintă stări conductoare protejate topologic. : generalizare a stării Hall cuantice fracționale pentru electroni într-o rețea cristalină. : fază bidimensională caracterizată prin perechi legate de vortex–antivortex. : stare în care gradele de libertate colective formează rețele fluctuante, cu ordine topologică pe scară mare. Semimetale topologice: Semimetal Weyl
Clasificare după conductivitate Stările metalice și izolatoare ale materialelor pot fi privite ca diferite ale materiei, legate printr-o . Materialele pot fi clasificate după structura suprafeței Fermi și conductivitatea de curent continuu la temperatură zero, după cum urmează:
Metal: : metal ale cărui excitații pot fi descrise prin cvasiparticule bine definite la suprafața Fermi. : stări metalice cu proprietăți electronice neconvenționale, care nu pot fi descrise prin teoria lichidului Fermi. Izolator Izolator de bandă: material izolator datorită existenței unui în spectrul electronic. : material izolator ca urmare a interacțiunilor electron–electron puternice. : material izolator datorită localizării electronilor prin dezordine și interferență cuantică.
Stări diverse
: stare a materiei în care sistemul prezintă periodicitate temporală chiar și în starea fundamentală. : faze metastabile sau neechilibrate termodinamic, care pot fi induse, de exemplu, prin . : stare observată la unele metale (de exemplu potasiul) la temperaturi și presiuni ridicate, cu proprietăți intermediare între solid și lichid. : fază cristalină formată din electroni de densitate scăzută, ordonați prin repulsie coulombiană. : stare intermediară între faza solidă și cea lichidă izotropă în sisteme bidimensionale. : , stare în care materialul prezintă o deformare spontană asociată unei tranziții de fază.
Stări de energie înalte
Materie degenerată: materie aflată sub presiuni extreme, stabilizată de principiul de excluziune al lui Pauli. Materie electron-degenerată: prezentă în interiorul piticelor albe, unde electronii formează un gaz degenerat. Materie degenerată de neutroni: întâlnită în stelele neutronice, unde presiunea gravitațională comprimă materia astfel încât electronii se combină cu protonii prin , formând un mediu extrem de dens de neutroni. : tip ipotetic de care ar putea exista în interiorul stelelor neutronice apropiate de (aprox. 2–3 mase solare). : faze ipotetice ale materiei ale căror grade de libertate includ quarcuri și gluoni.
Plasmă quarc–gluon: fază în care quarcurile și gluonii nu mai sunt confinați în hadroni și pot se deplaseze aproape liber într-un mediu dens de gluoni; poate fi produsă pentru intervale foarte scurte în acceleratoare de particule sau poate exista în interiorul stelelor neutronice. Până la 10-35 de secunde după Big Bang, densitatea de energie a universului a fost atât de mare încât se presupune că cele patru interacțiuni fundamentale – tare, slabă, electromagnetică și gravitațională – erau unificate într-o singură interacțiune. Starea materiei în această epocă este necunoscută. Pe măsură ce universul s-a extins, temperatura și densitatea au scăzut, iar interacțiunile fundamentale s-au separat printr-un proces cunoscut drept .
Note
#Lista Categorie:Liste despre fizică