Всем известно, что существуют три состояний вещества — твердая, жидкая и газообразная. Но теперь, как рассказывается в новом выпуске Science, проведена грандиозная реклассификация. Фаз оказалось не 3, а целых 500.

Физика конденсированных состояний — область, описывающая большинство фаз вещества — традиционно классифицирует фазы, как фундаментальные строительные блоки согласно расположению атомов. Ключевым фактором является симметрия, и именно на ее основе создается классификация фазовых состояний.

Вода, к примеру, может считаться образцом материи с очень высокой симметрией. Если представить себе, что сквозь нее «пролетает» невероятно крошечный корабль, то атомы образуют вокруг этого корабля беспорядочный водоворот, абсолютно идентичный со всех сторон. Если бы такой же «кораблик» аналогично взрезал лед, картина была бы другой — образовались бы регулярные кристаллические структуры, похожие на балки недостроенного небоскреба. Там тоже есть периодичность, но по сравнению с полностью изотропной жидкостью симметрия нарушена.

До сих пор для классификации фаз вещества физики использовали парадигму Ландау. Этим мощным инструментом они руководствовались до тех пор, пока могли описать все известные фазы через анализ степени нарушения симметрий. Но теперь обнаружены несколько фаз, выходящих за рамки этой парадигмы — по Ландау они имеют одинаковую степень симметрии. Тем не менее, они отличаются по свойству, названному «топологической упорядоченностью». Оно основывается на квантовых свойствах материи. Топологическая упорядоченность подразумевает не закономерности симметрии материи в ее основном состоянии, а закономерности квантового свойства — запутанности частиц. Модель квантового эффекта в отличие от модели атомных позиций, с помощью симметрии не может быть описана вообще. Если представить, например, город как топологически упорядоченные состояния, то придется говорить уже не о домах, а невидимых о связях между ними — вроде незримых информационных потоков телефонной системы.

В представленной в Science статье старший автор Вэнь Цзябао и его команда раскрывают систему, которая, наконец, может позволить успешно классифицировать все виды симметрий.

http

(2775)