物質は、その構成成分や圧力、温度などの外的要因に応じて、様々な相、すなわち物質の状態を形成します。極端な温度や圧力下を除き、原子は固体、液体、気体の3つの古典的な物質状態を形成します。複雑な分子は、液体と固体の中間相である液晶など、様々な中間相を形成することもあります。高温または強い電磁場下では、原子は電離し、プラズマを形成します。
低温では、固体物質の電子は、抵抗がゼロとなる超伝導状態など、物質の様々な電子相に組織化される。強磁性や反強磁性といった磁性状態も、電子スピンと核スピンが異なるパターンに組織化される物質相とみなすことができる。このような物質状態は、凝縮物質物理学で研究されている。
一部の恒星や初期宇宙に見られる極限状態では、原子は構成要素に分解され、物質は縮退物質、あるいはクォーク物質のような形態で存在します。このような物質の状態は、高エネルギー物理学で研究されています。
20世紀には、物質の性質に関する理解が深まり、物質の様々な状態が特定されました。このリストには、注目すべき例がいくつか含まれています。
低エネルギー状態
古典的状態
- 固体：固体は容器を必要とせず、一定の形状と体積を保ちます。粒子は互いに非常に接近して保持されます。
- 液体：ほとんど圧縮できない流体。容器の形状に追従しますが、圧力に関わらず（ほぼ）一定の体積を保ちます。
- ガス：圧縮可能な流体。ガスは容器の形状に変形するだけでなく、容器を満たすように膨張します。
- 中間相状態: 固体と液体の中間の物質の状態。
- 超臨界流体：液体と気体の中間の性質を持つ流体。十分に高い温度と圧力では、液体と気体の区別がなくなり、超臨界流体となります。
- プラズマ：中性原子で構成される気体とは異なり、プラズマには相当数の自由電子と電離原子が含まれています。プラズマは磁場と電流を自ら生成し、電磁力に対して強く集団的に反応します。 [1]
凝縮体、超流体、超伝導体
- ボース＝アインシュタイン凝縮：多数のボソンがすべて同じ量子状態にあり、実質的に一つの波／粒子となる相。これは低エネルギー相であり、実験室環境下かつ極低温でのみ形成されます。絶対零度に近い温度でなければなりません。サティエンドラ・ナート・ボースとアルバート・アインシュタインは1920年代にこの状態の存在を予言しましたが、エリック・コーネルとカール・ウィーマンによって1995年まで観測されませんでした。
- フェルミオン凝縮：ボーズ＝アインシュタイン凝縮に似ていますが、フェルミオンで構成されており、フェルミ＝ディラック凝縮とも呼ばれます。パウリの排他原理により、フェルミオンは同じ量子状態に入ることができませんが、フェルミオンのペアは互いに結合してボソンのように振る舞い、2つ以上のそのようなペアは、与えられた全運動量の量子状態を制限なく占有することができます。
- 超伝導体：特定の物質を臨界温度以下に冷却すると、電気抵抗がゼロになり磁場が放出される現象から生成される物質。超伝導は多くの元素金属の基底状態です。超伝導体には様々な種類があります。
- 従来型超伝導体: シングレット秩序パラメータを持つ BCS 理論によって記述される超伝導体。
- 非従来型超伝導体：新たな対称性を破る超伝導体。例えば、 d波超伝導体、三重項超伝導体、フルデ・フェレル・ラーキン・オブチンニコフ超伝導体など。
- 強磁性超伝導体：強磁性と超伝導が本質的に共存する材料。
- 電荷 4e 超伝導体: 電子がクーパー対としてではなく、電子四重項として結合している状態として提案されています。
- 超流動：極低温液体が極低温に達すると、摩擦なく流動できるようになる状態。超流動は、開放容器の側面を上昇し、外側を下降することができる。回転する容器に超流動を入れると、量子化された渦が発生する。
- 超固体: 超流動と同様に、超固体は摩擦なしに移動できますが、硬い形状を維持します。
- スーパーガラス：非晶質超固体。
磁気状態
- 強磁性: 自発的に磁化される物質の状態。
- 反強磁性: 隣接するスピンが互いに反平行であり、正味の磁化が存在しない物質の状態。
- フェリ磁性: 局所モーメントが部分的に打ち消される状態。
- 変成磁性: 正味磁化がゼロで電子バンドがスピン分裂した状態。
- スピン密度波：スピン密度が周期的に変調される秩序状態。
- 螺旋磁性: 空間的に回転する磁気秩序を持つ状態。
- スピングラス: ランダム性を特徴とする磁気状態。
- 量子スピン液体: 相互作用する量子スピンのシステムにおける無秩序状態。他の無秩序状態とは異なり、非常に低い温度まで無秩序状態が維持されます。
電子的に秩序付けられた状態
- 強誘電性: 自発的な電気分極を持つ物質の状態。
- 反強誘電性: 隣接する電気双極子が反対方向を向いている物質の状態。
- 電荷秩序：電荷秩序は、遷移金属酸化物や有機導体などの強相関物質で主に起こる（一次または二次の）相転移である。電子間の強い相互作用により、電荷は異なるサイトに局在し、不均化と秩序ある超格子を形成する。電荷秩序は、縦縞、横縞、市松模様など、様々なパターンで現れ[1][2]、2次元の場合に限定されない。電荷秩序転移は対称性の破れを伴い、強誘電性につながる可能性がある。超伝導や巨大磁気抵抗効果の近傍でよく見られる。
- 電荷密度波：電荷密度が周期的に変調される秩序ある状態。
物質の位相的状態
- 量子ホール状態:量子化されたホール抵抗を持つ物質の
位相的状態。
- 分数量子ホール状態：分数電荷を持つ準粒子の状態。ホール抵抗は抵抗量子の分数倍に量子化される。
- 量子スピンホール状態：エネルギーの散逸と発熱の少ない電子機器の開発への道を開く可能性のある理論上の状態。これは物質の量子ホール状態から派生した状態である。
- 量子異常ホール状態：外部磁場が存在しない場合でも量子化されたホール抵抗を持つ状態。
- トポロジカル絶縁体: 内部は電気絶縁体として振る舞い、表面は電気伝導体として振る舞う物質。
- 分数チャーン絶縁体: 分数量子ホール状態を格子上の電子に一般化したもの。
- ベレジンスキー-コステルリッツ-サウレス状態: 束縛されていない渦-反渦のペアを持つ 2D 状態。
- ストリングネット液体: この状態の原子は液体のように不安定な配置になっていますが、全体的なパターンは固体のように一貫しています。
- トポロジカル半金属: [2]
- トポロジカル超伝導体[3]
導電率による分類
物質の金属状態と絶縁状態は、金属-絶縁体転移によって結びついた物質の複数の異なる量子相として考えることができる。物質は、フェルミ面の構造と零温度直流伝導率によって以下のように分類できる。[4]
その他の州
- 時間結晶: 物体が最も低いエネルギー状態であっても運動できる物質の状態。
- 物質の隠れた状態: 熱平衡状態では到達不可能または存在しないが、たとえば光励起によって誘発できる相。
- ミクロ相分離：構成単位が統一性を保ちつつ多様な相を形成すること。
- 連鎖溶融状態: カリウムなどの金属は、高温高圧下では固体と液体の両方の特性を示します。
- ウィグナー結晶：低密度電子の結晶相。
- 六次状態。二次元粒子システムにおける固体相と等方性液体相の中間にある物質の状態。
- フェロイックス
- 強弾性状態。物質が自発的な歪みを示す現象。
- 光子分子: 見かけの質量によって引き寄せられ、エネルギーの伝達を仲介しながら互いに接続された光子。
高エネルギー状態
- 縮退物質:パウリの排他原理によって裏付けられる、非常に高い圧力下にある物質。
- 電子縮退物質：白色矮星内部に存在します。電子は原子に束縛されたままですが、隣接する原子に移動することができます。
- 中性子縮退物質：中性子星に存在します。巨大な重力によって原子が圧縮され、電子は逆ベータ崩壊によって陽子と結合せざるを得なくなり、超高密度の中性子の集合体が形成されます。（通常、原子核の外側にある自由中性子は、半減期が15分弱で崩壊しますが、中性子星では、原子核と同様に、他の効果によって中性子が安定化されます。）
- ストレンジ物質：トールマン・オッペンハイマー・フォルコフ限界（太陽質量の約2～3倍）に近い一部の中性子星内部に存在する可能性があるクォーク物質の一種。形成された後は、より低いエネルギー状態で安定する可能性がある。
- クォーク物質：クォークとグルーオンの自由度を含む物質の仮想的な相
- カラーガラス凝縮液
- カラー超伝導
- クォーク・グルーオン・プラズマ：クォークが自由になり、独立して運動できるようになる状態（永久に粒子に束縛された状態、あるいは量子ロック状態（力を加えることでエネルギーが加わり、最終的に別のクォークに固まる状態）ではなく）において、グルーオン（クォーク同士を結びつける強い力を伝達する素粒子）の海の中で。粒子加速器や中性子星内部で一時的に実現できる可能性がある。
- ビッグバン後最大10 −35秒間、宇宙のエネルギー密度は非常に高く、自然界の4つの力（強い力、弱い力、電磁力、重力）が一つの力に統合されたと考えられています。この時の物質の状態は不明です。宇宙が膨張するにつれて、温度と密度が低下し、重力が分離しました。このプロセスは対称性の破れと呼ばれます。
参考文献
- ^ A. Pickover, Clifford (2011). 「プラズマ」. The Physics Book . Sterling. pp. 248– 249. ISBN 978-1-4027-7861-2。
- ^ Armitage, NP; Mele, EJ; Vishwanath, Ashvin (2018-01-22). 「3次元固体におけるワイル半金属とディラック半金属」Reviews of Modern Physics . 90 (1) 015001. arXiv : 1705.01111 . Bibcode :2018RvMP...90a5001A. doi : 10.1103/RevModPhys.90.015001 .
- ^ 佐藤 正俊; 安藤 洋一 (2017-07-01). 「トポロジカル超伝導体：レビュー」.物理学の進歩に関する報告. 80 (7): 076501. arXiv : 1608.03395 . Bibcode :2017RPPh...80g6501S. doi :10.1088/1361-6633/aa6ac7. ISSN 0034-4885. PMID 28367833. S2CID 3900155.
- ^ 今田正俊;藤森 篤史;戸倉 義則 (1998-10-01) 「金属と絶縁体の転移」。現代物理学のレビュー。70 (4): 1039–1263。ビブコード:1998RvMP...70.1039I。土井：10.1103/RevModPhys.70.1039。
