Интересные факты о кристаллах
Причудливые творения природы, часто завораживающие и притягивающие взгляд, украшающие короны королей. Бытует поверье, что некоторые из них обладают магической чудодейственной силой.
В переводе с греческого, слово “кристалл” означал “лед”. Однако позже кристалл приобрел и еще одно название – горный хрусталь. Ученные предполагали, что горный хрусталь будет таять при изменении температуры в высшую сторону. Однако, этого так и не произошло. Горный хрусталь наделен и еще одной особенностью – он очень гладкий и имеет плоские грани. Больше такого нигде не сыщешь.
В кристаллах все атомы расположены так, что бы из них образовывалась трехмерно-периодическая укладка. Таким образом, на поверхности мы видим кристаллическую решетку.
Самые крупные кристаллы существуют в Мексике, в двух пещерах. На глубине более 300 метров находятся кристаллы длинною в 10-15 м. Cостоят они из селенита – прозрачного гипса.
Знаете ли вы, что кристаллы воспроизводят сами себя и таким образом растут? Их по праву можно называть “живыми” существами природы.
Кристаллы могут образовывать самые различные формы.
И, не смотря на это, внутренний рисунок кристалла имеет цикличность в произведении других. Это было доказано учеными.
Знаете ли вы, что некоторые природные минералы могут образовывать кристаллы? Вот только есть одна проблема, рассмотреть таковые можно лишь через увеличительное стекло.
Вода является самым основным “ингредиентом” для образования кристалла? Кристалл очень похож на обычную ледяную снежинку.
Существует, помимо естественного образования кристаллов, искусственные. На сегодняшний день люди, которые выращивают искусственные кристаллы зарабатывают огромные деньги. Ведь из “ненастоящих” делают такие драгоценные камни как сапфир и рубин. А это – миллионы, если не миллиарды.
Есть и представители самых больших и крошечных кристаллов.
Хранятся они в Австрии в музее “Хрустальные миры”. Самый крупный весит более 62 кг, его достоинство оценивается в 310 тыс карат. Крошечный же вариант кристалла в диаметре не достигает и одного сантиметра. Все они принадлежат к самой знаменитой нише “Сваровски” и занесены в книгу рекордов Гиннеса.
На сегодняшний день почти все кристаллы, которые существуют, выращивают искусственно. Таким образом получают именно то, что необходимо конечному потребителю. Производство кристаллов – один из самых дорогостоящих бизнесов. И красивых.
Похожие материалы
Вы можете сохранить статью или поделиться ею, нажав на одну из кнопочек ниже
Факты про кристаллы
Всем специалистам в области кристаллографии или физики твердого тела совершенно ясно, что в случае кристалла мы имеем дело с упорядоченным расположением в пространстве атомов или ионов. В некоторых случаях, например, в кристаллах льда или отвержденных газов, речь может идти о молекулах.
Итак, кристалл – это упорядоченная в пространстве система атомов. Они расположены правильным образом и чаще всего так, чтобы максимально плотно заполнить объем пространства. Попытавшись расположить вплотную друг к другу стальные шарики от шарикоподшипника, мы получим вполне приличную модель кристаллического строения и быстро убедимся, что число способов, которыми можно разместить шарики, ограничено. В зависимости от того, как расположены относительно друг друга атомные ряды и атомные плоскости, могут быть получены разные типы кристаллов. В свою очередь тип расположения атомов определяется их взаимодействием между собой, природой связи между частицами.
Аккуратное разламывание кристаллов приводит к появлению необычных структур с интересными свойствами. Сначала появляются крупные области с положительным или отрицательным поверхностным зарядом, создающие мощное электрическое поле, а затем они переходят в лабиринты шириной всего в несколько атомов.
Многие свойства ионных кристаллов обусловлены их структурой на атомарном масштабе: положительно и отрицательно заряженные атомы притягиваются друг к другу и образуют прочную периодическую решетку. Однако на поверхности кристалла заряды должны быть скомпенсированы. «Если расщепить кристалл с кубической решеткой вдоль определенных направлений, то можно получить заряды только одного типа, — поясняет один из авторов работы Ульрих Дибольд из Венского университета. — Такая конфигурация крайне нестабильна». Потенциально такой слой мог бы на крошечном образце создавать поле с напряжением в миллионы вольт. Такую ситуацию ученые называют «поляризационной катастрофой».
В новом исследовании физики пытались понять, как именно атомы реорганизуются, чтобы не допустить поляризационной катастрофы. «Поверхность может по-разному измениться в ответ на разлом, — говорит первый автор статьи Мартин Сетвин. — Электроны могут начать накапливаться в определенных местах, кристаллическая решетка может исказиться или молекулы из воздуха могут налипнуть на поверхность, меняя ее свойства».
Ученые раскалывали кристаллы танталата калия KTaO3 при низких температурах и получали сколы, при которых половина атомов из слоя с одинаковыми зарядами оставалось на одном обломке, а вторая — на другом. Области с ионами одинакового заряда формировали «островки», хотя в среднем поверхность оказывалась нейтральной. «Тем не менее, островки достаточно велики, поэтому поляризационной катастрофы не удается полностью избежать — создаваемое ими поле настолько велико, что оно меняет свойства нижележащих слоев», — рассказал Сетвин.
При небольшом повышении температуры островки распались на лабиринт из ломаных линий, причем его «стены» были высотой всего в один атом и шириной в 4-5 атомов.
«Лабиритнообразные структуры не только прекрасны, но и потенциально полезны, — подытожил Дибольд. — Этот как раз то, что нужно — сильные электрические поля на атомном масштабе». Одним из возможных применений авторы называют проведение химических реакций, которые не проходят в других условиях, например, расщепление воды для получения водорода.
Основные свойства кристаллов – анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления определяются их внутренним строением.
Анизотропность
Это свойство называется еще неравносвойственностью. Выражается она в том, что физические свойства кристаллов (твердость, прочность, теплопроводность, электропроводность, скорость распространения света) неодинаковы по разным направлениям. Частицы, образующие кристаллическую структуру по непараллельным направлениям, отстоят друг от друга на разных расстояниях, вследствие чего и свойства кристаллического вещества по таким направлениям должны быть различными. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки этого минерала легко расщепляются лишь по плоскостям, параллельным его пластинчастости. В поперечных же направлениях расщепить пластинки слюды значительно труднее.
Анизотропность проявляется и в том, что при воздействии на кристалл какого-либо растворителя скорость химических реакций различна по различным направлениям.
В результате каждый кристалл при растворении приобретает свои характерные формы, носящие название фигур вытравливания.
Аморфные вещества характеризуются изотропностью (равносвойственностью) – физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.
Однородность
Выражается в том, что любые элементарные объемы кристаллического вещества, одинаково ориентированные в пространстве, абсолютно одинаковы по всем своим свойствам: имеют один и тот же цвет, массу, твердость и т.д. таким образом, всякий кристалл есть однородное, но в то же время и анизотропное тело.
Однородность присуща не только кристаллическим телам. Твердые аморфные образования также могут быть однородными. Но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму.
Способность к самоогранению
Способность к самоогранению выражается в том, что любой обломок или выточенный из кристалла шарик в соответствующей для его роста среде с течением времени покрывается характерными для данного кристалла гранями.
Кристаллы одного и того же вещества могут отличаться друг от друга своей величиной, числом граней, ребер и формой граней. Это зависит от условий образования кристалла. При неравномерном росте кристаллы получаются сплющенными, вытянутыми и т.д. Неизменными остаются углы между соответственными гранями растущего кристалла. Эта особенность кристаллов известна как закон постоянства гранных углов. При этом величина и форма граней у различных кристаллов одного и того же вещества, расстояние между ними и даже их число могут меняться, но углы между соответствующими гранями во всех кристаллах одного и того же вещества остаются постоянными при одинаковых условиях давления и температуры.
Закон постоянства гранных углов было установлен в конце XVII века датским ученым Стено (1699) на кристаллах железного блеска и горного хрусталя, впоследствии этот закон был подтвержден М.
В. Ломоносовым (1749) и французским ученым Роме де Лиллем (1783). Закон постоянства гранных углов получил название первого закона кристаллографии.
Закон постоянства гранных углов объясняется тем, что все кристаллы одного вещества тождественны по внутреннему строению, т.е. имеют одну и ту же структуру.
Согласно этому закону кристаллы определенного вещества характеризуются своими определенными углами. Поэтому измерением углов можно доказать принадлежность исследуемого кристалла к тому или иному веществу. На этом основан один из методов диагностики кристаллов.
Для измерения у кристаллов двугранных углов были изобретены специальные приборы – гониометры.
Постоянная температура плавления
Выражается в том, что при нагревании кристаллического тела температура повышается до определенного предела; при дальнейшем же нагревании вещество начинает плавиться, а температура некоторое время остается постоянной, так как все тепло идет на разрушение кристаллической решетки.
Температура, при которой начинается плавление, называется температурой плавления.
Аморфные вещества в отличие от кристаллических не имеют четко выраженной температуры плавления. На кривых охлаждения (или нагревания) кристаллических и аморфных веществ, можно видеть, что в первом случае имеются два резких перегиба, соответствующие началу и концу кристаллизации; в случае же охлаждения аморфного вещества мы имеем плавную кривую. По этому признаку легко отличить кристаллические вещества от аморфных.
Прочность кристаллов
Проблема прочности кристаллов была и остается одной из самых важных в современных технике. Дело в том, что широко используемые конструкционные материалы в большей части представляют собой сплавы железа (сталь), алюминия (силумин, дюралюминий), меди (латунь, бронза) и некоторых других металлов, и все они имеют кристаллическое строение. В случае металлов мы редко имеем дело с такими правильными и красивыми кристаллами, о которых шла речь раньше.
Металлические сплавы имеют так называемое поликристаллическое строение, то есть состоят из отдельных зерен – кристаллов, несколько развернутых друг относительно друга.
Шаг за шагом человек переходил от менее прочного материала к более прочному, это вело к совершенствованию всей используемой техники и расширению ее возможностей. Сейчас в борьбе за прочность счет идет уже только на проценты; из технических материалов выжато практически все, что можно, и каждый последующий шаг дается со все большим трудом.
Лет двадцать назад казалось, что если научиться выращивать бездефектные кристаллы большого размера, то проблема прочности будет полностью решена, а расход металла в сотни раз сократится. К сожалению, эти надежды не сбылись. Вырастить идеальный кристалл большого размера или очень дорого, или невозможно. Только в таких областях, как радиоэлектроника, это можно себе позволить. Например, полупроводниковые кристаллы Ge и Si выращиваются практически бездефектными. Такими же являются и рубиновые кристаллы для лазеров.
Что же касается конструкционных материалов, то здесь пока приходится достигать высоких значений прочности, идя традиционным путем.
И еще одно важное заключение. Оказывается, что многие физические свойства кристаллов, в первую очередь их прочность, определяются не идеальной кристаллической решеткой, а отклонениями от идеальности – дефектной структурой. Умелое использование таких пороков кристалла позволяет управлять его свойствами и приспосабливать их к разнообразным требованиям современной техники. Для физика или инженера дефекты являются очень важной составной частью кристалла, без которой он практически не может существовать. Но тема дефектов в кристаллах заслуживает более глубокого и всестороннего обсуждения, чем то, которое возможно в этой статье.
Спасибо за интерес. Оценивайте, комментируйте, делитесь, подписывайтесь.
10 фактов о кристаллографии – Троицкий вариант — Наука
1. Кристаллография — междисциплинарная наука об атомном строении и свойствах материалов, своеобразный мост между физикой, химией, материаловедением, геологией и планетологией, биологией.
Основателем кристаллографии считается датчанин Николай Стенон (Niels Stensen, 1638-1686), который сформулировал закон постоянства углов между гранями кристаллов, ставший первым законом кристаллографии (1669). Стенон впоследствии стал епископом, прожил подвижническую жизнь и был причислен к лику святых Католической Церковью.
2. Большинство материалов — кристаллы. Кристалл — твердое тело, атомная структура которого обладает трансляционной периодичностью. Помимо периодичности кристаллы часто обладают и другими элементами симметрии (осевыми, плоскостными, инверсионными). Число различных кристаллических структур бесконечно, но все они относятся к 230 группам симметрии, впервые выведенным в 1890 г. Е.С. Федоровым (1853-1919).
3. Структуру кристаллов определяют при помощи явления дифракции, поскольку положение и интенсивность дифрагированных лучей (рентгеновских, нейтронных,электронных, гамма-лучей) содержат информацию о расположении атомов в структуре.
Первые структуры были решены У.Г. и У. Л. Брэггами в 1913 г., а само явление дифракции рентгеновских лучей на кристаллах было открыто М. фон Лауэ в 1912 г. Сейчас можно также и надежно предсказывать структуру кристаллов, например при помощи эволюционных алгоритмов. Кристаллографические методы используются и для определения структуры биомолекул (ДНК, белков и т.д.).
4. С помощью дифракции рентгеновского излучения можно определить детали распределения электронной плотности в кристаллах и проанализировать химическую связь. Дифракция нейтронов дает информацию о спиновой плотности. Оба типа дифракции дают информацию о величине тепловых смещений атомов и о степени беспорядка. Эти данные, как правило, хорошо согласуются с результатами квантово-механических расчетов.
5. Тип химической связи и кристаллическая структура определяются свойствами атомов — их радиусами, электроотрицательностями и поляризуемостями.
Эти свойства зависят от окружения атомов в кристалле и в значительной мере являются условными. Есть несколько систем радиусов и шкал электроотрицательностей.
6. Кристалл — хотя и самая распространенная, но лишь одна из известных форм твердого вещества с дальним порядком. Известны также несоразмерные фазы (в них есть базовая периодическая структура, возмущенная периодической волной так, что в результирующей структуре периодичность пропадает, либо же есть две периодические подструктуры, отношение периодов которых иррационально, что ведет к потере общей периодичности структуры) и квазикристаллы.
7. Квазикристаллы, особое состояние вещества с дальним порядком, но без трансляционной периодичности, были открыты в 1982 г. Д. Шехтманом. Ряд элементов симметрии (оси 5-го, 7-го и более высоких порядков) несовместимы с трехмерной периодичностью.
Известны квазикристаллы с осями симметрии 5-го, 8-го, 10-го и 12-го порядков. Все известные квазикристаллы —сплавы, супрамолекулярные агрегаты или же агрегаты коллоидных частиц. Не известно ни одного ионного квазикристалла.
8. Структура кристалла определяет очень многие из его свойств. В отличие от стекол и жидкостей, кристаллы могут обладать рядом интересных свойств (сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими, двулучепреломлением), и их свойства могут зависеть от направления. При изменении давления и температуры структура может измениться (это называется фазовым переходом). Фазовые переходы бывают первого рода (скачкообразное изменение структуры и всех свойств) или второго рода (структура и часть свойств меняются плавно, а симметрия и некоторые свойства — скачкообразно).
Фазовые переходы, происходящие в мантии Земли, объясняют регистрируемые сейсмологами резкие изменения свойств пород Земли с глубиной. Давление в центре Земли составляет 3,64 млн атмосфер.
9. Химия вещества существенно меняется под давлением, и тут многое не до конца понято. В частности, простые металлы (Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba, Al) под давлением образуют исключительно сложные структуры, полного объяснения которым до сих пор нет. В то же время неплохо поняты такие удивительные факты, как металлизация и переход кислорода и серы в сверхпроводящее состояние и потеря натрием металличности под давлением.
Даже такое свойство, как цвет, в общем случае зависит от направления, как здесь показано для кордиерита (Mg,Fe)2Al4Si5O1810. Большое внимание исследователей и практиков привлекают также фотонные кристаллы — метаматериалы, в которых показатель преломления меняется с периодичностью, сопоставимой с длиной волны света. Фотонные кристаллы обладают свойствами оптических фильтров.
Примером природного фотонного кристалла является опал, состоящий из периодически расположенных глобул аморфного кремнезема.
Артём Оганов,
профессор факультета наук о Земле
и факультета физики и астрономии
Университета штата Нью-Йорк
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
См. также:
ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ О КРИСТАЛЛАХ | Всё для декора интерьера
В переводе с греческого, слово “кристалл” означал “лед”.
1. На самом деле кристаллы в своей изначальной форме – это гелеобразная жидкость (плотный гель)
2. В природе существуют сотни веществ, образующих кристаллы.
Вода является самым основным “ингредиентом” для образования кристалла? Кристалл очень похож на обычную ледяную снежинку.
Снежинки – тоже кристаллы. Составленные из тонких ледяных иголочек, они похожи на звездочки. У этих звездочек всегда шесть лучей. Все они разные. Один ученый сделал 2500 фотоснимков снежинок, и все они отличались.
Узоры на окнах зимой – это тоже кристаллы воды.
3. Толстый лед на реке составлен из шестиугольных столбиков, похожих на карандаши. «Карандашики» – это кристаллы замёрзшей воды.
4. Многие кристаллы, что удивительно, являются продуктами жизнедеятельности организмов. Это, например, жемчуг, перламутр.
5. Рифы и целые острова в океанах сложены из кристалликов углекислого кальция, составляющих основу скелета беспозвоночных животных — коралловых полипов
6. В кристаллах все атомы расположены так, чтобы из них образовывалась трехмерно-периодическая укладка. Таким образом, на поверхности мы видим кристаллическую решетку.
Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы.
7. Есть и представители самых больших и крошечных кристаллов.
Хранятся они в Австрии в музее “Хрустальные миры”. Самый крупный весит более 62 кг, его достоинство оценивается в 310 тыс карат. Крошечный же вариант кристалла в диаметре не достигает и одного сантиметра. Все они принадлежат к самой знаменитой нише “Сваровски” и занесены в книгу рекордов Гиннеса.
8. Мы живем в мире кристаллов. Наши дома и города построены из камня и металла, т.е. в основном из кристаллов. Мы ходим по кристаллам, добываем кристаллы из земли, создаем изделия из кристаллических материалов, едим кристаллы, лечимся кристаллами и даже сами частично состоим из кристаллов. Из кристаллов делают очень много нужных вещей. Например, полупроводниковые кристаллы применяются в радиотехнике, камни в часах- тоже кристаллы. У кристаллов много применений.
Кристаллы широко применяются в науке и технике: полупроводники, призмы и линзы для оптических приборов, лазеры, пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, оптические и лектрооптические кристаллы, ферромагнетики и ферриты, монокристаллы металлов высокой чистоты.
..
Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности.
Рентгеноструктурные исследования кристаллов позволили установить строение многих молекул, в том числе и биологически активных – белков, нуклеиновых кислот.
Сегодня трудно назвать такую отрасль производства, в которой бы не использовались кристаллы. Ограненные кристаллы драгоценных камней, в том числе выращенных искусственно, используются как украшения.
9. Кристаллы воспроизводят сами себя и таким образом растут? Это живые разумные существа природы
10. Драгоценные камни – это минералы, которые обладают особыми свойствами. Ценность камней зависит от того, насколько они редки, каковы их цвет, прозрачность, вес. Откуда же черпают минералы свою силу? Все минералы образуются в ходе процесса, называемого кристаллизацией. При высокой температуре минерал является частью раствора. Находясь в жидком состоянии, остывая, он приобретает свою многогранную форму и характерную внутреннюю структуру со строгим порядком распределения атомов.
Все драгоценные камни, за редким исключением, принадлежат миру минералов.
11. Минералы могут возникать различными способами. Одни образуются из огненно-жидких расплавов и газов в недрах Земли или из вулканических лав, извергнутых на ее поверхность (магматические минералы). Другие выпадают из водных растворов либо растут с помощью организмов на (или вблизи) земной поверхности (осадочные минералы). Новые минералы образуются путем перекристаллизации уже существующих минералов под влиянием больших давлений и высоких температур в глубинных слоях земной коры (метаморфические минералы).
Приобрести товары из камня можно здесь – https://www.livemaster.ru/irinakamni?view=profile
Кристаллы – это… Что такое Кристаллы?
Кристалл кварцаКриста́ллы (от греч. κρύσταλλος, первоначально — лёд, в дальнейшем — горный хрусталь, кристалл) — твёрдые тела, в которых атомы расположены закономерно, образуя трёхмерно-периодическую пространственную укладку — кристаллическую решётку.
Кристаллы — это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений, составляющих вещество частиц (атомов, молекул, ионов).
Кристаллическая структура
Кристаллическая структура, будучи индивидуальной для каждого вещества, относится к основным физико-химическим свойствам этого вещества.
Кристаллическая решётка
Составляющие данное твёрдое вещество частицы образуют кристаллическую решётку. Если кристаллические решётки стереометрически (пространственно) одинаковы или сходны (имеют одинаковую симметрию), то геометрическое различие между ними заключается, в частности, в разных расстояниях между частицами, занимающими узлы решётки. Сами расстояния между частицами называются параметрами решётки. Параметры решётки, а также углы геометрических многогранников определяются физическими методами структурного анализа, например, методами рентгеновского структурного анализа.
Часто твёрдые вещества образуют (в зависимости от условий) более чем одну форму кристаллической решётки; такие формы называются полиморфными модификациями. Например, среди простых веществ известны ромбическая и моноклинная сера, графит и алмаз, которые являются гексагональной и кубической модификациями углерода, среди сложных веществ — кварц, тридимит и кристобалит представляют собой различные модификации диоксида кремния.
Виды кристаллов
Следует разделить идеальный и реальный кристалл.
Идеальный кристалл
Является, по сути, математическим объектом, имеющим полную, свойственную ему симметрию, идеализированно ровные гладкие грани.
Реальный кристалл
Всегда содержит различные дефекты внутренней структуры решетки, искажения и неровности на гранях и имеет пониженную симметрию многогранника вследствие специфики условий роста, неоднородности питающей среды, повреждений и деформаций. Реальный кристалл не обязательно обладает кристаллографическими гранями и правильной формой, но у него сохраняется главное свойство — закономерное положение атомов в кристаллической решётке.
Анизотропия кристаллов
Многим кристаллам присуще свойство анизотропии, то есть зависимость их свойств от направления, тогда как в изотропных веществах (большинстве газов, жидкостей, аморфных твёрдых телах) или псевдоизотропных (поликристаллы) телах свойства от направлений не зависят. Процесс неупругого деформирования кристаллов всегда осуществляется по вполне определённым системам скольжения, то есть лишь по некоторым кристаллографическим плоскостям и лишь в некотором кристаллографическом направлении. В силу неоднородного и неодинакового развития деформации в различных участках кристаллической среды между этими участками возникает интенсивное взаимодействие через эволюцию полей микронапряжений.
В то же время существуют кристаллы, в которых анизотропия отсутствует.
В физике мартенситной неупругости накоплен богатый экспериментальный материал, особенно по вопросам эффектов памяти формы и пластичности превращения. Экспериментально доказано важнейшее положение кристаллофизики о преимущественном развитии неупругих деформаций почти исключительно посредством мартенситных реакций.
Но принципы построения физической теории мартенситной неупругости неясны. Аналогичная ситуация имеет место в случае деформации кристаллов механическим двойникованием.
Значительные успехи достигнуты в изучении дислокационной пластичности металлов. Здесь не только понятны основные структурно-физические механизмы реализации процессов неупругой деформации, но и созданы эффективные способы расчёта явлений.
Физические науки, изучающие кристаллы
- кристаллография изучает идеальные кристаллы c позиций законов симметрии и сопоставляет их с кристаллами реальными.
- структурная кристаллография занимается определением внутренней структуры кристаллов и классификацией кристаллических решеток.
- кристаллооптика изучает оптические свойства кристаллов.
- кристаллохимия изучает закономерности образования кристаллов из различных веществ и в разных средах.
Вообще свойства реальных кристаллов — огромная научная отрасль, достаточно сказать, что все полупроводниковые свойства некоторых кристаллов (на основе которых создаётся точная электроника и, в частности, компьютеры) возникают именно за счет дефектов.
Интересные факты
- Самые большие кристаллы были обнаружены в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа[1]. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр.
См. также
Примечания
- ↑ В. Чернавцев. Гипсовое чудо света // «Вокруг света». — № 11, 2008, С. 16–22.
Литература
- Химия: Справ. изд./ В. Шретер, К.-Х. Лаутеншлегер, Х. Бибрак и др.: Пер. с нем. — М.: Химия, 1989.
- Курс общей физики, книга 3, И. В. Савельев: Астрель, 2001, ISBN 5-17-004585-9.
- Кристаллы / М. П. Шаскольская, 208 с ил. 20 см, 2-е изд., испр. — М.: Наука, 1985.
- Лихачёв В. А., Малинин В. Г. Структурно-аналитическая теория прочности. — СПб: Наука. — 471 с.
- Зоркий П.М. Симметрия молекул и кристаллических структур. М.: изд-во МГУ, 1986. – 232 с.
Ссылки
Научная работа по физике “Кристаллы. Выращивание кристаллов” авторы Серегина Анна, Тюрина Мария (10 класс)
МБОУ «Гимназия №5»
РЕФЕРАТ ПО ФИЗИКЕ НА ТЕМУ
« Кристаллические и аморфные вещества. Выращивание кристаллов»
Научный руководитель: Крючкова О.Н.
Работу выполнили: Серегина А.Д.
Тюрина М.А.
СОДЕРЖАНИЕ
1. Введение
2. Что такое кристаллы
3. Виды кристаллов
4. Строение кристаллов
5. Кристаллические решетки
6. Примеры кристаллов в природе
7. Применение кристаллов на практике
8. Как растут кристаллы и способы их выращивания
9. Аморфные вещества
10. Демонстрационный опыт
11. Интересные факты о кристаллах
12. Вывод
13. Список литературы
1. Введение
Цель исследовательской работы: Рассмотреть особенности строения и свойства кристаллических и аморфных тел. Вырастить кристаллы в домашних условиях.
Мы выбрали эту тему, так как кристаллы одни из самых красивых и загадочных творений природы и мы бы хотели узнать о них много интересного.
В настоящее время изучением многообразия кристаллов занимается наука кристаллография. Она выявляет признаки единства в этом многообразии, исследует свойства и строение, как одиночных кристаллов, так и кристаллических агрегатов. Кристаллография является наукой, всесторонне изучающей кристаллическое вещество. Данная работа также посвящена кристаллам и их свойствам.
2. Что такое кристаллы
Кристаллы – это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают определенные, упорядоченные положения в пространстве. Однако правильная внешняя форма не самое главное следствие упорядоченного строения кристалла. Главное – это зависимость физических свойств от выбранного в кристалле направления. Зависимость физических свойств от направления внутри кристалла называют анизотропией. ( От греческих слов «анизос» – неравный, «тропос» – направление ).
3. Виды кристаллов
Семейство кристаллических тел состоит из двух групп — монокристаллов и поликристаллов. Первые иногда обладают геометрически правильной внешней формой, а вторые, подобно аморфным телам, не имеют присущей данному веществу определенной формы. Но в отличие от аморфных тел структура поликристаллов неоднородна, зерниста. Они представляют собой совокупность сросшихся друг с другом хаотически ориентированных маленьких кристаллов – кристаллитов. Поликристаллическую структуру чугуна, например, можно обнаружить, если рассмотреть с помощью лупы образец на изломе.
По размерам кристаллы бывают различными. Многие из них можно увидеть только в микроскоп. Но встречаются гигантские кристаллы массой в несколько тонн.
4. Строение кристаллов
Разнообразие кристаллов по форме очень велико. Кристаллы могут иметь от четырех до нескольких сотен граней. Но при этом они обладают замечательным свойством – какими бы ни были размеры, форма и число граней одного и того же кристалла, все плоские грани пересекаются друг с другом под определенными углами. Углы между соответственными гранями всегда одинаковы. Кристаллы каменной соли, например, могут иметь форму куба, параллелепипеда, призмы или тела более сложной формы, но всегда их грани пересекаются под прямыми углами. Грани кварца имеют форму неправильных шестиугольников, но углы между гранями всегда одни и те же — 120°.
Кристаллы правильной геометрической формы встречаются в природе редко. Совместное действие таких неблагоприятных факторов, как колебания температуры, тесное окружение соседними твердыми телами, не позволяют растущему кристаллу приобрести характерную для него форму. Кроме того, значительная часть кристаллов, имевших в далеком прошлом совершенную огранку, успела утратить ее под действием воды, ветра, трения о другие твердые тела. Так, многие округлые прозрачные зерна, которые можно найти в прибрежном песке, являются кристаллами кварца, лишившимися граней в результате длительного трения друг о друга.
Существует несколько способов, позволяющих узнать, является ли твердое тело кристаллом. Самый простой из них, но очень малопригодный для использования, был открыт в результате случайного наблюдения в конце XVIII в. Французский ученый Ренне Гаюи нечаянно уронил один из кристаллов своей коллекции. Рассмотрев осколки кристалла, он заметил, что многие из них представляют собой уменьшенные копии исходного образца.
Замечательное свойство многих кристаллов давать при дроблении осколки, подобные по форме исходному кристаллу, позволило Гаюи высказать гипотезу, что все кристаллы состоят из плотно уложенных рядами маленьких, невидимых в микроскоп, частиц, имеющих присущую данному веществу правильную геометрическую форму. Многообразие геометрических форм Гаюи объяснил не только различной формой «кирпичиков», из которых они состоят, но и различными способами их укладки.
5. Кристаллические решетки
Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.
В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:
Ионная кристаллическая решетка.
Атомная кристаллическая решетка.
Молекулярная кристаллическая решетка.
Металлическая кристаллическая решетка.
Далее более подробно опишем все типы кристаллической решетки.
Ионная кристаллическая решетка
Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.
Атомная кристаллическая решетка
Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные ковалентные связи. Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления. Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.
Молекулярная кристаллическая решетка
Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.
Металлическая кристаллическая решетка
Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.
6. Примеры кристаллов в природе
Вопрос о происхождении большинства минералов в природе тесно связан со сложной проблемой происхождения и развития Земли. Согласно современным представлениям Земля образовалась путем объединения первоначально холодного вещества, имевшегося в солнечной системе в виде твердых частиц пыли. За счет выделения энергии при столкновении частиц, а также за счет ряда других источников энергии Земля должна была разогреться до 1000—2000° С. При такой высокой температуре слои, близкие к поверхности и не сжатые давлением вышележащих слоев, должны были расплавиться. В этом расплавленном слое произошло разделение пород: менее плотные породы, типа гранитов, всплыли на поверхность, под ними расположился слой более плотных базальтов и еще ниже — породы, слагающие мантию. Газы, освободившиеся при расплавлении вещества верхнего слоя земного шара, образовали атмосферу Земли. При последующем остывании Земли расплавленные слои затвердели и образовали земную кору, пары воды после конденсации из атмосферы создали Мировой океан.
Многие минералы и горные породы образовались при охлаждении земной коры подобно тому, как образуется лед при замерзании воды. Магма, вещество земной коры в расплавленном состоянии, представляет собой сложный расплав различных веществ, насыщенный различными горячими газами и парами. При охлаждении магмы сначала в ней образовались кристаллы того вещества, температура кристаллизации которого самая высокая. По мере дальнейшего охлаждения происходила кристаллизация других минералов, обладающих меньшей температурой кристаллизации, и так до тех пор, пока вся магма не затвердела. Так, в честности, могли образовываться такие распространенные породы, как граниты.
Рассматривая зернистую поверхность гранита, можно сделать вывод, какой из входящих в его состав минералов образовался раньше других. Зерна этого минерала крупнее и имеют форму, близкую к форме правильных кристаллов, так как им не мешали расти кристаллы других минералов. Зерна кристаллов, образовавшихся позднее, мельче и имеют случайную форму, так как для их роста остались лишь промежутки между зернами ранее выросших кристаллов. Чем медленнее понижалась температура магмы, т. е. чем дольше росли кристаллы, тем крупнозернистее получался минерал. Мелкозернистые же минералы образовались при более быстром охлаждении, А при очень быстром охлаждении магмы, например при ее выбросах на поверхность Земли во время
извержения вулканов, она затвердела раньше, чем начали расти кристаллы. Вероятно, так образовался обсидиан, встречающийся на Кавказе.
При затвердевании объем земной коры уменьшался и в ней появлялись трещины и пустоты. В таких пустотах рост кристаллов происходит беспрепятственно. В них часто находят круги и хорошо ограненные кристаллы кварца, пластинчатые кристаллы слюды площадью в несколько квадратных метров и многие другие.
Каждому знаком способ образования кристаллов из пара. Снежинки, морозные узоры на стеклах окон и иней, украшающий зимой голые ветки деревьев, представляют собой кристаллы льда, выросшие из паров воды. На стенках кратеров «курящихся» вулканов постоянно образуются кристаллы серы, хлористого аммония, каменной соли и других веществ, достигающих поверхности Земли в виде пара. Однажды при извержении Везувия за несколько дней из паров образовалась жила кристаллов гематита (Ре2О3) толщиной 1 м.
Многие кристаллы являются продуктами жизнедеятельности организмов. Некоторые виды моллюсков обладают способностью наращивать на инородных телах, попавших в раковину, перламутр. За 5 — 10 лет образуется драгоценный камень жемчуг, имеющий поликристаллическое строение.
7. Применение кристаллов на практике
Монокристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствами. Так, например, алмаз тверже любого другого минерала, встречающегося на Земле. Кристаллы кварца и слюды обладают рядом электрических свойств, обеспечивающих им широкое применение в технике. Кристаллы флюорита, турмалина, исландского шпата, рубина и многие другие находят применение при изготовлении оптических приборов.
К сожалению, в природе монокристаллы большинства веществ без трещин, загрязнений и других дефектов встречаются редко. Это привело к тому, что многие кристаллы на протяжении тысячелетий люди называют драгоценными камнями, алмаз, рубин, сапфир, аметист и другие драгоценные камни долгое время ценились людьми очень высоко в основном не за особые механические пли другие физические свойства, а лишь из-за своей редкости.
Развитие науки и техники привело к тому, что многие драгоценные камни или просто редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов и машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможно.
Кроме того, для многих отраслей техники и особенно для выполнения научных исследований все чаще требуются монокристаллы очень высокий химической чистоты с совершенной кристаллической структурой. Кристаллы, встречающиеся в природе, этим требованиям не удовлетворяют, так как они растут в условиях, весьма далеких от идеальных.
Таким образом, возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.
Разработка сравнительно простого способа изготовления «драгоценного камня» приводит к тому, что он перестает быть драгоценным. Объясняется это тем, что большинство драгоценных камней является кристаллами широко распространенных в природе химических элементов и соединений. Так, алмаз — это кристалл углерода, рубин и сапфир — кристаллы окиси алюминия с различными примесями.
8. Как растут кристаллы и способы их выращивания
Рассмотрим основные способы выращивания монокристаллов. На первый взгляд может показаться, что осуществить кристаллизацию из расплава очень просто. Достаточно нагреть вещество выше температуры плавления, получить расплав, а затем охладить его. В принципе это правильный путь, но если не принять специальных мер, то в лучшем случае получится поликристаллический образец. А если опыт проводить, например, с кварцем, серой, селеном, сахаром, способными в зависимости от скорости охлаждения их расплавов затвердевать в кристаллическом или аморфном состоянии, то нет никакой гарантии, что не будет получено аморфное тело.
Для того чтобы вырастить один монокристалл, недостаточно медленного охлаждения. Нужно сначала охладить один небольшой участок расплава и получить в нем «зародыш» кристалла, А затем, последовательно охлаждая расплав, окружающий «зародыш», дать возможность разрастись кристаллу по всему объему расплава. Этот процесс можно обеспечить медленным опусканием тигля с расплавом сквозь отверстие в вертикальной трубчатой печи. Кристалл зарождается на дне тигля, так как оно раньше попадает в область более низких температур, а затем постепенно разрастается по всему объему расплава. Дно тигля специально делают узким, заостренным на конус, чтобы в нем мог расположиться только один кристаллический зародыш
Этот способ часто применяется для выращивания кристаллов цинка, серебра, алюминия, меди и других металлов, а также хлористого натрия, бромистого калия, фтористого лития и других солей, используемых оптической промышленностью. За сутки можно вырастить кристалл каменной соли массой порядка килограмма.
Недостатком описанного метода является загрязнение кристаллов материалом тигля.
Этого недостатка лишен бестигельный способ выращивания кристаллов из расплава, которым выращивают, например, корунд, (рубины, сапфиры). Тончайший порошок окиси алюминия из зерен размером 2—100 мкм высыпается тонкой струёй из бункера, проходит через кислородно-водородное пламя, плавится и в виде капель попадает на стержень из тугоплавкого материала. Температура стержня поддерживается несколько ниже температуры плавления окиси алюминия (2030°С). Капли окиси алюминия охлаждаются на нем и образуют корку спекшейся массы корунда. Часовой механизм медленно (10—20 мм1ч) опускает стержень, и на нем постепенно вырастает не ограненный кристалл корунда, по форме напоминающий перевернутую грушу, так называемая буля.
Как и в природе, получение кристаллов из раствора сводится к двум способам. Первый из них состоит в медленном испарении растворителя из насыщенного раствора, а второй — в медленном понижении температуры раствора. Чаще применяют второй способ. В качестве растворителей используют воду, спирты, кислоты, расплавленные соли и металлы. Недостатком методов выращивания кристаллов из раствора является возможность загрязнения кристаллов частицами растворителя.
Кристалл растет из тех участков пересыщенного раствора, которые его непосредственно окружают. В результате этого вблизи кристалла раствор оказывается менее пересыщенным, чем вдали от него. Так как пересыщенный раствор тяжелее насыщенного, то над поверхностью растущего кристалла всегда имеется направленный вверх поток «использованного» раствора. Без такого перемешивания раствора рост кристаллов быстро бы прекратился. Поэтому часто дополнительно перемешивают раствор или закрепляют кристалл на вращающемся держателе. Это позволяет выращивать более совершенные кристаллы.
Чем меньше скорость роста, тем лучше получаются кристаллы. Это правило справедливо для всех методов выращивания. Кристаллы сахара и поваренной соли легко получить из водного раствора в домашних условиях. Но, к сожалению, не все кристаллы можно вырастить так просто. Например, получение кристаллов кварца из раствора происходит при температуре 400°С и давлении 1000 ат.
9. Аморфные вещества
Аморфные тела — конденсированное состояние веществ, атомная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур. В отличие от кристаллов, стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней, и, (если не были под сильнейшим анизотропным воздействием — сжатием или электрическим полем, например) обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различия свойств в разных направлениях. Аморфные вещества не имеют определённой точки плавления: при повышении температуры стабильно-аморфные вещества постепенно размягчаются и выше температуры стеклования (Tg) переходят в жидкое состояние. Вещества, обычно имеющие (поли-)кристаллическую структуру, но сильно переохлаждённые при затвердевании, могут затвердевать в аморфном состоянии, которое при последующем нагреве или с течением времени кристаллизуется (в твёрдом состоянии с небольшим выделением тепла).
Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава, или при конденсации паров на охлаждённую заметно ниже температуры плавления поверхность-подложку. Соотношение реальной скорости охлаждения (dT/dt) и характеристической скорости кристаллизации определяет долю поликристаллов в аморфном объёме. Скорость кристаллизации — параметр вещества, слабо зависящий от давления и от температуры (около точки плавления) и сильно зависящий от сложности состава. У металлов и сплавов аморфное состояние формируется, как правило, если расплав охлаждается за время порядка сотни и тысячи лет; для стёкол достаточно намного меньшей скорости охлаждения — долей-десятков миллисекунд. Кварц (SiO2) также имеет низкую скорость кристаллизации, поэтому отлитые из него изделия получаются аморфными. Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.
Из обычных полимеров (пластмасс) только самый простой (полиэтилен) имеет заметную скорость кристаллизации при комнатной температуре — порядка двух лет для мягкого (ПВД) и нескольких лет (даже с добавками-замедлителями) для твёрдого (ПНД) — уже примерно наполовину кристаллизованного вида. Это одна из причин недолговечности изделий из полиэтилена.
К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах). Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах заметно ниже температуры стеклования Tg. При температурах намного выше Tg аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии. Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.
10. ДЕМОНСТРАЦИОННЫЙ ОПЫТ
Цель: вырастить кристаллы
Оборудование: ёмкость для выращивания кристаллов, тёплая вода, медный купорос, палочка для смешивания.
Ход работы: Высыпаем в стакан 100 г медного купороса. Затем начинаем вливать в ёмкость тёплую воду, смешивая её содержимое. Смешивать нужно до полного растворения порошка. Как только все крупицы растворятся, засыпаем ещё порошка. Нам нужно получить насыщенный раствор медного купороса. Те частички, что не растворились, мы оставляем на дне стакана. Выращивать кристаллы нужно при комнатной температуре. Через некоторое время крупицы начнут увеличиваться в размерах, формируя единый поликристалл.
11. Интересные факты о кристаллах
1. Знаете ли вы, что кристаллы воспроизводят сами себя и таким образом растут? Их по праву можно называть “живыми” существами природы.
Самые большие кристаллы были обнаружены в 2000 году в Пещере кристаллов в шахтовом комплексе Найка, в мексиканском штате Чиуауа. Некоторые из найденных там кристаллов гипса достигают 15 метров в длину, а в ширину — 1 метр.
2. Известен и своими гигантскими, метровыми, кристаллами минерал сподумен.
В 1914 году было опубликовано сообщение, что в руднике Этта, Южная Дакота, был найден кристалл сподумена длиной 42 фута (12,8 м) и весом 90 тонн.
3. Музей « Хрустальных миров» в Австрии.
Удивительный музей хрусталя открыт в 1995 году к столетнему юбилею компании Swarovski. Музей представляет собой интерактивную экспозицию изделий из хрусталя, где экспонаты можно рассмотреть, почувствовать, услышать и даже понюхать. Помещение музея представляет собой подземный лабиринт, где коридорами и лестницами связаны между собой экспозиционные залы. На входе посетителей встречает голова великана, глаза которой выполнены из зеленых кристаллов, а изо рта льется водопад. Согласно легенде в этих краях жил великан, который бережно хранил свои несметные сокровища, а теперь охраняет богатства Хрустальных миров Swarovski. В музее хранятся самый большой и самый маленький кристалл в мире занесенные в Книгу рекордов Гиннеса. Самый большой кристалл Сваровски имеет диаметр 40 см и весит 310 тысяч карат. Диаметр же самого маленького кристалла составляет всего-навсего 0,8 мм и увидеть его можно только через микроскоп. Сейчас Хрустальные миры Swarovski являются вторым по своей популярности музеем в Австрии.
4.Торбернит.
Сколь завораживающе красив этот минерал, столь же он и смертельно опасен. Призмы кристаллов торбернита содержат уран и способны вызвать у человека рак. Кроме того, при нагревании эти камни начинают медленно испускать опаснейший для здоровья газ радон.
5.Клиноклаз
Редкий кристалл клиноклаз имеет один небольшой секрет – при нагревании этот изысканно красивый минерал выделяет чесночный запах.
6.Белый барит, усыпанный кристаллами ванадинита
Свое имя ванадинит получил в честь скандинавской богини красоты Ванадис. Этот минерал – один из самых тяжелых на планете, поскольку он отличается высоким содержанием свинца. Хранить кристаллы ванадинита стоит подальше от солнечных лучей, так как они склонны темнеть под их воздействием.
7.Висмут
Искусственно выращиваемые кристаллы висмута имеют узнаваемый радужный блеск на своей темной поверхности. Такой эффект возникает из-за покрывающей ее оксидной пленки. Кстати, оксид-хлорид висмута применяется при создании лаков для ногтей как средство для придания им блеска. Так что искусственно выращенные кристаллы ещё и помогают женщинам быть красивыми и ухоженными.
12. Вывод
Кристаллы неординарны и загадочны по своей сущности. В облаках, в глубинах Земли, на вершинах гор, в песчаных пустынях, в морях и океанах, в научных лабораториях, в клеточках растений, в живых и мертвых организмах – везде встретим мы кристаллы. Но может кристаллизация вещества совершается только на нашей планете? Нет, мы знаем теперь, что и на других планетах и далеких звездах все время непрерывно возникают, растут и разрушаются кристаллы. Метеориты, космические посланцы, тоже состоят из кристаллов, причем иногда в их состав входят кристаллические вещества, на Земле не встречающиеся. Кристаллы везде.
Люди привыкли использовать кристаллы, делать из них украшения, любоваться ими. Теперь, когда изучены методы искусственного выращивания кристаллов, область их применение расширилась, и, возможно, будущее новейших технологий принадлежит кристаллам и кристаллическим агрегатам.
13. Список литературы
1) Г.Б. Бокий «Кристаллохимия».
2) Я.Е. Гегузин «Живой кристалл».
3) Я.Е. Гегузин «Очерки о диффузии в кристаллах».
4) М.П. Шаскольская «Кристаллы».
5) М.П. Шаскольская «Очерки о свойствах кристаллов».
6) И.И. Шафрановский «Симметрия в природе».
Что такое темпоральный кристалл и как он переворачивает наши представления о законах физики
- Николай Воронин
- Корреспондент по вопросам науки
Автор фото, Science Photo Library
В конце июля компания Google объявила, что ее инженерам удалось создать внутри квантового компьютера новое состояние материи – так называемый кристалл времени (или темпоральный кристалл), само существование которого, кажется, бросает вызов известным нам фундаментальным законам физики.
Научная статья, написанная при участии исследователей из Стэнфорда, Принстона и других ведущих американских университетов и подробно описывающая технологию создания кристалла, осенью должна быть опубликована в журнале Nature – после того как пройдет положенную проверку научным сообществом.
Авторы работы (а в черновике публикации перечислено больше сотни имен) и сами не до конца уверены в том, что их эксперимент действительно удался. Однако, если открытие подтвердится, Google можно будет считать первооткрывателем одной из самых невероятных и перспективных технологий будущего.
Темпоральные кристаллы должны сыграть важнейшую роль в создании квантовых компьютеров – настолько быстрых и мощных, что они смогут за считанные минуты решать задачи, на которые у современных процессоров ушли бы тысячелетия. Собственно, и создан кристалл времени был внутри самого мощного на сегодняшний день квантового компьютера, Google Sycamore.
Эксперты называют это открытие настолько революционным, что “в полной мере осознать его важность мы пока еще даже не в состоянии”.
Так что такое кристалл времени?
Всем известны три основные состояния вещества: твердое, жидкое и газообразное. Они существенно отличаются физическими свойствами, но могут переходить одно в другое при необходимых условиях – давлении и температуре.
Однако этими тремя Вселенная не ограничивается. Ученым известны и другие, более экзотические состояния материи. Например, плазма, которая помогла нам заменить громоздкие телевизоры на мониторы с плоским экраном. В естественных условиях на Земле плазму можно наблюдать в основном в виде молний и северного сияния, хотя во Вселенной на нее приходится 99,9% всего привычного нам вещества.
Темпоральный кристалл – одно из таких экзотических состояний. И, чтобы понять его природу, для начала нужно вспомнить, что такое кристалл обычный – будь то драгоценный алмаз или простой лед.
В отличие от жидкостей и газов, где частицы находятся в постоянном движении, периодически сталкиваясь между собой, кристалл – твердое тело. Его атомы (или молекулы) связаны между собой и расположены в строгой повторяющейся последовательности, на одинаковом расстоянии друг от друга, как углы клеток на шахматной доске. Впрочем, клетки плоские, а кристалл объемный – так что его структура напоминает скорее кубик Рубика.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Трехмерная структура, в которой атомы располагаются на одинаковом удалении друг от друга, называется кристаллической решеткой
В жидком и газообразном состоянии вещество со всех сторон выглядит одинаково. Физики называют это явление пространственной симметрией. А вот внешний вид твердых предметов зависит от угла зрения. поэтому ученые говорят, что в кристаллах пространственная симметрия нарушена.
Однако теория относительности утверждает, что, помимо трехмерного пространства, у Вселенной есть и четвертое измерение – время. Поэтому в 2012 году американский физик и лауреат Нобелевской премии Фрэнк Вильчек предположил, что атомы кристалла могут располагаться точно так же – в повторяющейся последовательности, на одинаковом удалении друг от друга – но не в пространстве, а во времени, периодически возвращаясь в изначальное положение.
Представьте, что вы насыпали в коробку горсть монет и аккуратно выложили каждую орлом кверху. Потом эту коробку хорошенько потрясли, открыли – и увидели, что монеты внутри перевернулись, причем перевернулись одинаково: теперь все до единой лежат кверху решкой.
Потрясли еще раз – снова везде орел; еще – опять только решка, и так далее. Система словно запоминает, в каком состоянии находилась изначально – и возвращается к нему вновь и вновь, после каждого четного изменения. А после каждого нечетного – меняет это состояние на противоположное.
Поскольку повторяющееся действие одно и то же, а его результат повторяется через раз, ученые говорят, что в данном случае нарушена симметрия времени. Именно это – определяющее свойство темпоральных кристаллов.
Монеты в данном случае – это элементарные частицы, из которых состоит кристалл (как шарики на картинке выше). Орел и решка – их квантовые состояния, а “потряхивание коробки” – любое периодически повторяющееся воздействие (например, облучение кристалла лазером). Вильчек рассчитал, возможно ли такое в теории – и математические формулы сошлись, подтверждая его правоту.
Автор фото, Getty Images
Подпись к фото,Нобелевскую премию по физике Вильчек получил в 2004 году
И хотя через несколько лет в опубликованных расчетах нобелевского лауреата были обнаружены неточности, эксперименты по созданию кристаллов времени продолжились – и, кажется, увенчались успехом.
Почему открытие кристалла времени называют революцией в науке?
Характеристики кристалла противоречат сразу нескольким фундаментальным законам физики – во всяком случае так кажется на первый взгляд.
Темпоральный кристалл переходит из одного состояния в другое и обратно, не затрачивая при этом энергии (энергия лазера кристаллу не передается, выступая своеобразным “физическим катализатором”) – а это подозрительно напоминает вечный двигатель, существование которого наука официально признала невозможным еще в XVIII веке. Парижская академия наук перестала принимать и рассматривать проекты вечного двигателя в 1775 году – “ввиду очевидной невозможности его создания”.
Возвращаясь к аналогии чуть выше, монеты в коробке переворачиваются не произвольно, случайным образом, а упорядоченно, все вместе – как если бы между ними была какая-то необъяснимая связь, – хотя весь наш опыт подсказывает, что в жизни так не бывает.
Всем известно, что разбить любой предмет куда проще, чем собрать его из нескольких частей. Смешать белок и желток – дело нескольких секунд, а вот разделить их после этого практически невозможно. Эти примеры наглядно демонстрируют нам действие Второго закона термодинамики, который гласит, что с течением времени любая изолированная система, части которой взаимодействуют между собой, стремится от порядка хаосу. То есть к равномерному распределению температуры и энергии по всему своему объему. Такое состояние физики еще называют “тепловая смерть”.
Отпущенный маятник не может колебаться бесконечно: во время движения он затрачивает энергию, поэтому рано или поздно колебания затухают. А энергия темпорального кристалла остается неизменной без всякой подпитки извне, поэтому в теории, в полностью изолированной системе, он может переходить из одного состояния в другое (и возвращаться обратно) бесконечно.
Сообщество Макса Планка называет эти кадры “первой в мире видеозаписью пространственно-временного кристалла”
Правда, инженер Google и ведущий автор работы Сяо Ми говорит Русской службе Би-би, что эти противоречия иллюзорны. И на роль вечного двигателя темпоральный кристал не годится.
“Хотя кристал действительно демонстрирует “вечное движение”, это движение не производит энергии”, – объясняет он.
“На самом деле свидетельство вечного движения в квантовых системах нам уже встречалось, – продолжает физик. – Например, в сверхпроводниках, по которым электроны путешествуют, не встречая никакого сопротивления. Или в сверхтекучих жидкостях, где, так же без всякого сопротивления, перемещаются атомы гелия. Хотя ни там ни там пространственная симметрия не нарушена – а значит, под определение темпоральных кристаллов они не попадают”.
Что же касается теории относительности, где время и пространство покоятся на одном фундаменте, то в этой системе координат действительно может показаться, что, раз уж обычные кристаллы (то есть любые твердые тела в целом) нарушают пространственную симметрию, то со всей очевидностью должна нарушаться и симметрия относительно сдвига во времени,
“Несколько лет теоретических исследований ушло на то, чтобы понять: “тепловой смерти” можно избежать – путем так называемой многочастичной локализации (MBL), за счет которой нарастание энтропии в каждой части системы замедляется”, – говорит Сяо Ми.
Зачем все это нужно?
Теоретическая физика не относится к прикладным наукам – а значит, в ближайшее время невероятному открытию вряд ли найдется достойное применение на практике.
Поскольку темпоральные кристаллы оказались невероятно устойчивыми к электромагнитному шуму (то есть любым воздействиям извне системы), им с большой вероятностью найдется применение при создании сверхточных часов и гироскопов.
Еще одна популярная версия состоит в том, что обнаружение столь уникальной формы материи приближает ученых к созданию запоминающих устройств для квантовых суперкомпьютеров.
Однако пока любые версии применения темпоральных кристалов на практике – не более чем предположения. Даже сами создатели кристалла не могут убедительно ответить на вопрос, где технология найдет свое практическое применение, и не исключают, что на это уйдут десятилетия.
Однако, по словам Сяо Ми, с точки зрения науки не это главное.
“Кристаллы времени – явление настолько удивительное, что заслуживает изучения само по себе, безо всякой практической цели, – уверяет он. – Нам ведь так мало известно о состояниях, в которых вещество может выходить за пределы температурного равновесия”.
5 интересных фактов о кристаллах
Поделиться
Артикул
Вы можете поделиться этой статьей в соответствии с международной лицензией Attribution 4.0.
Кристаллы составляют строительные блоки большей части нашего мира. Их внимательное изучение позволяет нам понять структуру биомолекул таких вещей, как наши кости и мышцы, лекарства и даже шоколад.
Вот пять вещей, которые вы могли не знать о кристаллах и кристаллографии:
1. Приз занимает кристаллография
Отец и сын отца Уильяма Генри Брэгга и сына Уильяма Лоуренса Брэгга впервые раскрыли структуру соли и в 1915 году получили Нобелевскую премию по физике за свои услуги «в анализе кристаллической структуры с помощью рентгеновских лучей». Пока что Брэгги – единственная команда отца и сына, получившая Нобелевскую премию. Фактически, кристаллография – это наука или дисциплина, непосредственно связанная с получением большинства Нобелевских премий, получивших награду 28 раз.
Рентгеновская кристаллография развивалась быстрыми темпами за последние 20 лет. Ученые впервые применили этот метод более 100 лет назад, когда определили кристаллическую структуру соли.
По сути, метод заключается в размещении крошечного кристалла на пути рентгеновского луча. Когда рентгеновские лучи проходят через кристалл, излучение дифрагируется в узор на атомах, которые составляют молекулы в кристаллической структуре.
Дифракционная картина похожа на отпечаток пальца, который определяет не только природу атомов и связей в молекулах, но и их трехмерное расположение.Это единственный аналитический метод, который может достичь такого уровня анализа таким полным и однозначным образом.
2. Около 90 процентов всех лекарств – кристаллы
Это потому, что намного легче контролировать твердое состояние кристаллической структуры – даже при использовании геля кристаллы, взвешенные в липкой субстанции, могут помочь доставке лекарственного средства. Некоторые вводимые наркотики также могут состоять из мелких кристаллов, поскольку кристаллические материалы могут располагаться по-разному, в разных условиях для создания необходимого эффекта.
Если вы примете таблетку, она должна раствориться в кишечнике и попасть через стенку кишечника в кровоток. От того, как состоят кристаллы в препаратах, будет зависеть, насколько легко они растворятся в кишечнике. Если вы выберете неправильную форму, лекарство может пройти через весь организм или раствориться в неправильном месте и стать бесполезным.
3. Они в наших глазах и костях
Например, большинство стержней и колбочек в вашем глазу, которые проводят свет или формируют изображение, сделаны из кристаллов.Около 65 процентов костной массы взрослого человека состоит из кристалла гидроксиапатита.
4. Шоколад кристаллический
Национальная служба рентгеновской кристаллографии Университета Саутгемптона провела ряд экспериментов с кристаллическими структурами шоколада. Добавленное масло какао контролирует кристалличность, и это важно, потому что существует шесть различных кристаллических форм шоколада.
Самая стабильная форма шоколада – это неаппетитный шоколад с белым налетом на вершине.Изменение количества какао-масла влияет на кристаллическую природу шоколада, которая позволяет получить разные формы, вкусы и текстуры.
5. Фейерверк мы обязаны кристаллам
Проблема взрывчатых порошков или других веществ, таких как нитроглицерин, заключается в их летучести. Однако, если бы они были созданы в более стабильном твердом состоянии, их было бы безопаснее транспортировать и легче контролировать.
Одно из решений, обнаруженное в Университете Саутгемптона, состоит в том, чтобы перейти к другому виду высокоэнергетического материала путем выращивания кристаллов со свойствами типа фейерверка в каркасе или решетчатой структуре, которая остается стабильной.В материале есть каналы и пустоты, в которых разные красители могут создавать разные цвета. Помещение нитроглицерина в такую структуру позволило бы ей дольше оставаться стабильной.
Подобные фейерверки используются не только для развлечения или защиты. Подушки безопасности в наших автомобилях также созданы из энергетических материалов, которые представляют собой мини-фейерверки, поэтому эти кристаллы также имеют много гражданских применений.
Источник: Саутгемптонский университет
20 вещей, о которых вы не знали… Кристаллы
1 Все дело в ритме: кристаллы – это повторяющиеся трехмерные структуры атомов, ионов или молекул.
2 Практически любой твердый материал может кристаллизоваться, даже ДНК. Химики из Нью-Йоркского университета, Университета Пердью и Аргоннской национальной лаборатории недавно создали кристаллы ДНК, достаточно большие, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом. Работа может найти применение в наноэлектронике и разработке лекарств.
3 Единственное, что не является хрусталем: свинцовое «хрустальное» стекло, подобное вазам, которых боятся многие молодожены.(Стекло состоит из атомов или молекул, собранных в беспорядке, а не в том порядке, в котором они образуют кристалл.) Холмы западной Австралии.
5 Когда-то считалось, что центр Земли представляет собой единственный железный кристалл шириной 1500 миль. Сейсмические исследования теперь показывают, что внутреннее ядро представляет собой не одно твердое тело, а, возможно, совокупность более мелких кристаллов.
6 Крошечные кристаллы силиката, для образования которых требуется высокая температура, были обнаружены внутри ледяных комет с далеких, холодных окраин Солнечной системы.Мощные солнечные вспышки могли обеспечить необходимое тепло.
7 В Чиуауа, Мексика, известняковая пещера на глубине 1000 футов ниже поверхности содержит самые большие кристаллы в мире: сверкающие гипсовые образования до 6 футов в диаметре и 36 футов в длину и весом до 55 тонн.
8 Возможно, вы сейчас сидите в гипсовой пещере: это основной компонент гипсокартона.
9 Вымощены ли улицы Нью-Йорка золотом? Нет, но сланец коренной породы под ними усыпан опалом, бериллом, хризобериллом, гранатом и тремя видами турмалина.
10 В 1885 году гранат весом почти 10 фунтов был обнаружен под 35-й улицей недалеко от Бродвея, недалеко от сегодняшнего магазина Macy’s. Согласно городским преданиям, он был обнаружен либо во время строительства метро, либо рабочим, копавшим канализацию.
11 На фунт дешевле: так называемый Subway Garnet был продан в течение дня, как сообщается, за 100 долларов – всего 2300 долларов в сегодняшних долларах.
12 Единица измерения драгоценных камней имела скромное начало. «Карат» происходит от греческого слова keration или «рожковое дерево», которое использовалось в качестве стандарта для взвешивания небольших количеств.Это эквивалентно 200 миллиграммам или примерно 0,007 унции.
13 Когда Ричард Бертон купил Элизабет Тейлор алмаз Тадж-Махал в форме сердца, он, как говорят, хвастался: «В нем так много каратов, что это почти репа».
14 «Причудливый насыщенный розовый» бриллиант недавно установил мировой рекорд, когда он был куплен на аукционе за 46 миллионов долларов лондонским ювелиром.
15 Алмаз Куллинан – самый крупный из известных драгоценных камней – точнее, был им. Он весил 3106 карат, или почти полтора фунта, когда он был обнаружен в Южной Африке в 1905 году, но с тех пор он был разрезан на более чем 100 камней.
16 Безупречные камни Куллинана теперь являются частью британских регалий. Самый большой, 530-каратный монстр, установлен в одном из британских королевских скипетров.
17 Для всех остальных существует кристаллизованный хлорид натрия, также известный как соль. Мы буквально купаемся в нем: если бы вода из Мирового океана испарилась, у нас осталось бы 4,5 миллиона кубических миль соли, что эквивалентно кубу размером 165 миль с каждой стороны.
18 Еще один кристалл для простолюдинов: сахар.Каждый американец съедает в среднем более 130 фунтов в год.
19 Как будто связи сахара с ожирением и кариесом недостаточно, новое исследование Имперского колледжа Лондона предполагает, что сахар также способствует повышению артериального давления.
20 Снег – это почти чистая кристаллизованная вода, но когда он собирается на земле, он действует как резервуар для атмосферных загрязнителей, таких как ртуть и сажа. Так что белый снег, наверное, есть тоже не стоит.
Объяснение науки, лежащей в основе исцеляющих кристаллов!
Когда кто-то говорит о мире альтернативных методов лечения, использование исцеляющих кристаллов, вероятно, возглавляет список.Считается, что для непосвященных кристаллы (окаменелые минералы) обладают несколькими целебными свойствами. Список кажется бесконечным: от успокоения ума до борьбы с депрессией. Многие знаменитости используют их и ручаются за их эффективность. Они также использовались в древних формах медицины и священниками для выравнивания чакр тела. И сейчас использование кристаллов как эффективная форма практики ухода за собой становится невероятно популярной.
С научной точки зрения, нет научных доказательств того, что исцеление кристаллами помогает при лечении или лечении состояний.Однако использование исцеляющих кристаллов может быть очень расслабляющим, поскольку они вызывают чувство расслабления в окружающей среде. Но действительно ли они работают при лечении заболеваний? Мы говорим вам
Как они работают?
По мнению экспертов, кристаллы действуют как опора силы для исцеления, поскольку они позволяют положительной, плодотворной энергии течь в тело и устранять отрицательную, токсичную энергию. Как и другие формы альтернативной терапии, кристаллы работают, направляя ваши энергетические уровни, тем самым сосредотачиваясь на исцелении вашего тела изнутри.
Кристаллы также обладают способностью вызывать в организме эффект плацебо, который, как научно доказано, помогает при лечении.
Эти целебные камни и кристаллы имеют особую вибрацию и частоту, которые обусловлены их молекулярным составом. Судя по тому, как они двигаются и взаимодействуют, эти вибрации и энергии в значительной степени улучшают наше настроение, разум и здоровье, часто так же, как эфирные масла и ароматерапия. Действуя как магнит, он может поглощать отрицательную энергию и приветствовать свежие вибрации.
Поскольку все они извлекаются естественным путем, они используют энергии солнца, луны и океанов (полностью естественные целительные энергии) для улучшения нашего состояния. Когда вы помещаете или держите кристалл над телом, он взаимодействует с чакрами тела и способствует физическому и психическому благополучию. При определенном использовании он также может улучшить вашу концентрацию и творческие способности. Он также может способствовать физическому, эмоциональному и духовному очищению.
Кристаллы вибрируют с той же частотой, что и люди, и максимизируют исцеляющие способности, которые у нас уже есть.Благодаря этому приятному ощущению, когда вы кладете кристалл на тело, он помогает вам лучше общаться и чувствовать себя непринужденно. Балансирующие кристаллы также могут помочь сопоставить смещенные уровни энергии.
Как ими пользоваться? Какой камень лучший?
Каждый кристалл исцеления имеет свои свойства и силы. В зависимости от их преимуществ вы можете использовать лечебный камень, чтобы естественным образом исцелить себя и снять стресс и негатив. Некоторые из наиболее часто используемых камней включают аметист, родонит, опал и розовый кварц.
Было обнаружено, что аметист обладает свойствами, которые чрезвычайно полезны для кишечника и проблем с пищеварением. Такие камни, как зеленый авантюрин, полезны для здоровья сердца, в то время как целебные камни, такие как желтый топаз, устраняют умственные блоки и обеспечивают ясность.
Ученые открыли новую форму материи: кристаллы времени
Для большинства людей кристаллы означают бриллиантовые украшения, полудрагоценные камни или, возможно, зазубренные кристаллы аметиста или кварца, любимые коллекционерами.
Для Нормана Яо эти инертные кристаллы – верхушка айсберга.
Если кристаллы имеют атомную структуру, повторяющуюся в пространстве, как углеродная решетка алмаза, почему кристаллы также не могут иметь структуру, повторяющуюся во времени? То есть кристалл времени?
В статье, опубликованной на прошлой неделе в журнале Physical Review Letters , доцент кафедры физики Калифорнийского университета в Беркли описывает, как именно создать и измерить свойства такого кристалла, и даже предсказывает, какими должны быть различные фазы, окружающие временной кристалл. быть – сродни жидкой и газовой фазам льда.
Одномерная цепочка ионов иттербия была превращена в кристалл времени физиками из Университета Мэриленда на основе чертежа, предоставленного Норманом Яо из Калифорнийского университета в Беркли. Каждый ион ведет себя как спин электрона и демонстрирует дальнодействующие взаимодействия, указанные стрелками. (Изображение предоставлено Крисом Монро)
Это не просто предположение. Две группы следовали плану Яо и уже создали первые кристаллы. Группы из Университета Мэриленда и Гарвардского университета сообщили о своих успехах, используя две совершенно разные схемы, в статьях, опубликованных в Интернете в прошлом году, и представили результаты для публикации.Яо является соавтором обеих статей.
Кристаллы времени повторяются во времени, потому что их периодически пинают, что-то вроде повторного нажатия на Jell-O, чтобы заставить его покачиваться, – сказал Яо. Он утверждает, что большой прорыв заключается не столько в том, что эти конкретные кристаллы повторяются во времени, сколько в том, что они являются первыми из большого класса новых материалов, которые по своей природе находятся вне равновесия, неспособные прийти в состояние неподвижного равновесия, например, алмаз или рубин.
«Это новая фаза материи, период, но она также действительно крутая, потому что это один из первых примеров неравновесной материи», – сказал Яо.«Последние полвека мы изучали материю равновесия, такую как металлы и изоляторы. Мы только сейчас начинаем исследовать совершенно новый ландшафт неравновесной материи ».
В то время как Яо трудно представить себе применение кристалла времени, другие предложенные фазы неравновесной материи теоретически являются многообещающими как почти идеальные воспоминания и могут быть полезны в квантовых компьютерах.
Цепочка иттербия
Кристалл времени, созданный Крисом Монро и его коллегами из Университета Мэриленда, использует конголинию из 10 ионов иттербия, электронные спины которых взаимодействуют, подобно системам кубитов, которые тестируются в качестве квантовых компьютеров.Чтобы удержать ионы из равновесия, исследователи поочередно ударяют по ним одним лазером, чтобы создать эффективное магнитное поле, и вторым лазером, чтобы частично перевернуть спины атомов, повторяя последовательность много раз. Из-за взаимодействия спинов атомы образовали стабильную повторяющуюся схему переворота спинов, которая определяет кристалл.
Эта фазовая диаграмма показывает, как изменение экспериментальных параметров может «расплавить» временной кристалл в нормальный изолятор или нагреть временной кристалл до высокотемпературного теплового состояния.Норман Яо графика.
Кристаллы времени были впервые предложены в 2012 году лауреатом Нобелевской премии Фрэнком Вильчеком, а в прошлом году физики-теоретики из Принстонского университета и станции Q Калифорнийского университета в Санта-Барбаре независимо доказали, что такой кристалл можно создать. По словам Яо, группа Калифорнийского университета в Беркли была «мостом между теоретической идеей и экспериментальной реализацией».
С точки зрения квантовой механики, электроны могут образовывать кристаллы, которые не соответствуют лежащей в основе пространственной трансляционной симметрии упорядоченного трехмерного массива атомов, сказал Яо.Это нарушает симметрию материала и приводит к уникальным и стабильным свойствам, которые мы определяем как кристалл.
Кристалл времени нарушает симметрию времени. В этом конкретном случае магнитное поле и лазер, периодически возбуждающие атомы иттербия, производят повторение в системе с периодом вдвое больше, чем у драйверов, чего бы не произошло в нормальной системе.
«Разве не было бы супер странно, если бы вы покачивали Jell-O и обнаружили, что оно каким-то образом отреагировало в другой период?» Яо сказал.«Но в этом суть кристалла времени. У вас есть периодический драйвер с периодом «T», но система каким-то образом синхронизируется, так что вы наблюдаете, как система колеблется с периодом больше, чем «T» ».
Яо тесно сотрудничал с Монро, когда его команда из Мэриленда создавала новый материал, помогая им сосредоточиться на важных свойствах, которые необходимо измерить, чтобы подтвердить, что материал на самом деле является стабильным или жестким кристаллом времени. Яо также описал, как кристалл времени меняет фазу, как тающий кубик льда, под действием различных магнитных полей и импульсов лазера.
Гарвардская группа под руководством Михаила Лукина создала свой временной кристалл, используя плотно упакованные центры вакансий азота в алмазах.
«Такие похожие результаты, достигнутые в двух совершенно разных системах, подчеркивают, что кристаллы времени – это новая широкая фаза материи, а не просто любопытство, относящееся к небольшим или узко специфическим системам», – написал Фил Ричерм из Университета Индианы в перспективной статье, сопровождающей исследование. статья опубликована в Physical Review Letters . «Наблюдение за кристаллом дискретного времени… подтверждает, что нарушение симметрии может происходить практически во всех областях природы, и открывает путь к нескольким новым направлениям исследований.”
Яо продолжает свою работу над кристаллами времени, исследуя теорию, лежащую в основе других новых, но еще не реализованных неравновесных материалов.
СоавторыЯо – профессор физики Калифорнийского университета в Беркли Эшвин Вишванат; Эндрю Поттер, ныне доцент Техасского университета в Остине; и аспирант Калифорнийского университета в Беркли Ионут-Драгош Потирниче.
Работа была поддержана Управлением научных исследований ВВС США, Программой исследователей Саймонса, Фондом Гордона и Бетти Мур и Институтом фундаментальных научных исследований Университета Калифорнии в Беркли.
СВЯЗАННАЯ ИНФОРМАЦИЯ
кристаллов времени – это новое состояние материи, и теперь мы можем их создать
Ранее в этом году физики составили план создания и измерения кристаллов времени – причудливого состояния материи с атомной структурой, которая повторяется не только в пространстве, но и во времени, что позволяет им поддерживать постоянные колебания без энергии.
Две отдельные исследовательские группы сумели создать то, что очень похоже на кристаллы времени, еще в январе, и теперь оба эксперимента впервые успешно прошли рецензирование, поместив «невозможное» явление прямо в сферу реальности.
«Мы взяли эти теоретические идеи, над которыми копались последние пару лет, и фактически создали их в лаборатории», – говорит один из исследователей, Эндрю Поттер из Техасского университета в Остине.
«Надеюсь, это только первый пример, и многие другие будут в будущем».
Кристаллы времени – одна из самых крутых вещей, которые физика преподнесла в последние месяцы, потому что они указывают на совершенно новый мир «неравновесных» фаз, которые полностью отличаются от всего, что ученые изучали в прошлом.
На протяжении десятилетий мы изучали материю, такую как металлы и изоляторы, которая определяется как «находящаяся в равновесии» – состояние, при котором все атомы в материале имеют одинаковое количество тепла.
Теперь похоже, что временные кристаллы являются первым примером гипотетического, но неизученного «неравновесного» состояния материи, и они могут произвести революцию в том, как мы храним и передаем информацию через квантовые системы.
«Это показывает, что богатство фаз материи даже шире [чем мы думали]», – сказал Gizmodo физик Норман Яо из Калифорнийского университета в Беркли, опубликовавший план в январе.
«Один из святых Граалей в физике – это понимание того, какие типы материи могут существовать в природе. [N] равновесные фазы представляют собой новый путь, отличный от всего, что мы изучали в прошлом».
Впервые предложенные лауреатом Нобелевской премии физиком-теоретиком Фрэнком Вильчеком еще в 2012 году, временные кристаллы представляют собой гипотетические структуры, которые, кажется, имеют движение даже в самом низком энергетическом состоянии, известном как основное состояние.
Обычно, когда материал входит в свое основное состояние – также называемое нулевой энергией системы – движение теоретически должно быть невозможным, потому что это потребует затрат энергии.
Но Вильчек вообразил объект, который мог бы достигать вечного движения в своем основном состоянии, периодически меняя ориентацию атомов внутри кристалла снова и снова – из основного состояния, обратно снова и снова.
Давайте проясним – это не вечный двигатель, потому что в системе отсутствует энергия. Но эта гипотеза поначалу казалась маловероятной по другой причине.
Он намекнул на систему, которая нарушает одно из самых фундаментальных предположений нашего нынешнего понимания физики – симметрию сдвига времени, которая гласит, что законы физики одинаковы везде и во все времена.
Как объясняет Даниэль Оберхаус для Motherboard, симметрия перевода времени является причиной того, что было бы невозможно подбросить монету в один момент и иметь шансы орла или решки 50/50, но тогда, когда вы в следующий раз подбросите ее, шансы внезапно становятся 70/30.
Но некоторые объекты могут нарушать эту симметрию в своем основном состоянии, не нарушая законов физики.
Рассмотрим магнит с северным и южным концом. Неясно, как магнит «решает», какой конец будет северным, а какой – южным, но тот факт, что у него есть северный и южный конец, означает, что он не будет выглядеть одинаково на обоих концах – он естественно асимметричен.
Другой пример физического объекта с несимметричным основным состоянием – кристалл.
Кристаллы известны своими повторяющимися структурными узорами, но атомы внутри них занимают «предпочтительные» положения в решетке. Итак, в зависимости от того, где вы наблюдаете кристалл в космосе, он будет выглядеть по-разному – законы физики больше не симметричны, потому что они не применимы одинаково ко всем точкам в пространстве.
Имея это в виду, Вильчек предположил, что возможно создать объект, который достигает асимметричного основного состояния не в пространстве, как обычные кристаллы или магниты, а во времени.
Другими словами, могут ли атомы предпочитать разные состояния в разные промежутки времени?
Перенесемся на несколько лет вперед, и американские и японские исследователи показали, что это возможно, если внести одну серьезную поправку в предложение Вильчека – чтобы кристаллы времени снова и снова меняли свое состояние, их нужно было подтолкнуть. ‘время от времени.
В январе этого года Норман Яо описал, как можно построить такую систему, описав ее Элизабет Гибни в Nature как «более слабый» вид нарушения симметрии, чем предполагал Вильчек.
«Это похоже на игру со скакалкой, и почему-то наша рука оборачивается дважды, но скакалка оборачивается только один раз», – говорит он, добавляя, что в версии Вильчека скакалка будет колебаться сама по себе.
«Это менее странно, чем первая идея, но все же чертовски странно».
Две отдельные группы исследователей, одна во главе с Мэрилендским университетом, а другая – Гарвардским, взяли этот план и работали с ним, создав две разные версии кристалла времени, которые казались одинаково жизнеспособными.
«Обе системы действительно классные. Они очень разные. Я думаю, что они очень дополняют друг друга», – сказал Яо Gizmodo.
«Я не думаю, что один лучше другого. Они рассматривают два разных режима физики. Тот факт, что вы наблюдаете подобную феноменологию в очень разных системах, действительно удивляет».
Описанные в предпечатных работах в январе, временные кристаллы Мэрилендского университета были созданы путем взятия конголинии из 10 ионов иттербия, все со спутанными электронными спинами.
Крис Монро, Мэрилендский университет
Как тогда сообщила нам Фиона Макдональд:
«Ключ к превращению этой установки в кристалл времени заключался в том, чтобы удерживать ионы из равновесия, и для этого исследователи поочередно поражали их двумя лазерами. Один лазер создавал магнитное поле, а второй лазер частично переворачивал спины атомов “.
Поскольку спины всех атомов были перепутаны, атомы образовали стабильную, повторяющуюся схему переворота спина, которая определяет кристалл, но он сделал что-то поистине странное, чтобы стать кристаллом времени – схема переворота спина в системе повторилась. только вдвое медленнее, чем лазерные импульсы.
“Разве не было бы супер странно, если бы вы покачивали Jell-O и обнаружили, что он каким-то образом отреагировал в другой период?” Яо объяснил.
В кристалле времени Гарварда вместо этого использовались алмазы, содержащие столько примесей азота, что они стали черными.
Гарвардский бриллиант. Предоставлено: Георг Кучко
Спин этих примесей можно было менять взад и вперед, как спин ионов иттербия в эксперименте в Мэриленде.
Это был захватывающий момент для физики, но теперь все наконец официально, потому что оба эксперимента прошли рецензирование и теперь появляются в отдельных статьях в Nature, здесь и здесь.
И теперь, когда мы знаем, что эти вещи существуют, пришло время сделать их еще больше и использовать.
Одним из наиболее многообещающих приложений для кристаллов времени являются квантовые вычисления – они могут позволить физикам создавать стабильные квантовые системы при гораздо более высоких температурах, чем это может быть достигнуто прямо сейчас, и это может быть толчком, который нам нужен, чтобы наконец сделать квантовые вычисления доступными. реальность.
Нам не терпится увидеть, куда приведут исследования дальше.
| |
| |
Кристаллы времени: новая форма материи, которую когда-то считали нарушающей законы физики, созданная учеными | The Independent
Новый вид материи, получивший название «кристалл времени», был создан двумя группами ученых в результате подвига, который когда-то считался теоретически невозможным.
Обычные кристаллы, от алмазов до снежинок, имеют атомы, расположенные в повторяющейся трехмерной решетке.
Однако атомы в кристаллах времени, существование которых было впервые высказано в 2012 году, повторяют структуру в четвертом измерении, времени.
По сути, это означает, что они должны постоянно колебаться без какого-либо внешнего воздействия.
Недавно обнаруженные микрофоссилии могут быть самыми старыми в мире
До их очевидного создания некоторые исследователи выражали сомнение в том, что кристаллы времени могут быть созданы, поскольку вечное движение противоречит законам физики.
Но это считается возможным отчасти из-за странного поведения материи на квантовом уровне.
Кристалл времени кажется замкнутой системой, поэтому во внешний мир не теряется энергия. Кроме того, похоже, что он имеет свойства, аналогичные свойствам сверхпроводников, поэтому электроны могут двигаться без какого-либо сопротивления.
Это позволяет наблюдаемому движению продолжаться, по крайней мере теоретически, все время.
Считается, что до практического применения еще далеко, но считается, что уникальные свойства кристаллов могут помочь сделать квантовые вычисления реальностью.
Прототипы квантовых компьютеров существуют, но они должны быть надежно защищены от малейшего вмешательства со стороны внешнего мира. Кристаллы могут помочь защитить хранимую информацию, преодолевая одно из величайших препятствий на пути широкого использования компьютеров во много миллионов раз быстрее, чем те, которые используются сегодня.
Одна из групп, возглавляемая исследователями из Мэрилендского университета, впервые создала кристалл из электрически заряженных атомов элемента иттербия.
Они использовали электрическое поле, чтобы поднять 10 из этих атомов над поверхностью, а затем несколько раз поразили их импульсами лазера.
Атомы сами по себе начали вращаться в обычном порядке, но делали это странным образом. Вместо того, чтобы двигаться с той же скоростью, что и лазерные импульсы, они переворачивались вдвое медленнее.
Музей науки запускает новую выставку роботов
Исследователи сравнили это с двойным нажатием на клавишу пианино, но с получением одной ноты, или с регулярным сжатием губки, когда она отскакивает только один раз за каждое второе нажатие.
Это, по-видимому, контрольный знак кристалла времени.Предполагаемый прорыв был обнаружен в октябре прошлого года, но научный мир ждал полной информации в рецензируемом журнале.
Новости науки в картинках
Показать все 201 / 20Новости в картинках
Новости науки в картинках
У Плутона «бьющееся сердце» из замороженного азота
У Плутона «бьющееся сердце» из замороженного азота, которое, как выяснило НАСА, совершает странные вещи с его поверхностью. Загадочное ядро, похоже, является причиной особенностей на его поверхности, которые очаровали ученых с тех пор, как они были обнаружены миссией НАСА New Horizons.«До New Horizons все думали, что Плутон будет нетболом – совершенно плоским, почти без разнообразия», – сказал Танги Бертран, астрофизик и планетолог из Исследовательского центра Эймса НАСА и ведущий автор нового исследования. «Но это совершенно другое. Здесь много разных ландшафтов, и мы пытаемся понять, что там происходит».
Getty
Новости науки в картинках
Более 400 видов, обнаруженных в этом году Музеем естественной истории
Древний инвертируемый червеобразный вид rhenopyrgus viviani (на фото) – один из более чем 400 видов, ранее неизвестных науке, которые были обнаружены экспертами в Музее естественной истории в этом году
PA
Научные новости в картинках
Галки могут идентифицировать «опасных» людей
По словам ученых, галки могут идентифицировать «опасных» людей, слушая предупреждающие звонки друг друга.По словам исследователей из Университета Эксетера, очень социальные птицы также запомнят этого человека, если они снова приблизятся к своим гнездам. В кабинете к их гнезду подошел неизвестный диким галкам человек. В то же время ученые воспроизвели запись предупредительного звонка (угроза) или «контактных звонков» (без угрозы). В следующий раз, когда галки увидели того же человека, птицы, которые ранее слышали предупреждающий сигнал, заняли оборонительную позицию и вернулись в свои гнезда в среднем более чем в два раза быстрее.
Getty
Научные новости в картинках
Эмбрионы черепахи влияют на пол, встряхивая
Пол черепахи определяется температурой, при которой они инкубируются. Теплые температуры благоприятствуют самкам. Но, покачиваясь вокруг яйца, эмбрионы могут найти «Зону Златовласки», что означает, что они могут защитить себя от экстремальных тепловых условий и обеспечить сбалансированное соотношение полов, согласно новому исследованию, опубликованному в журнале Current Biology
Ye et al / Current Biology
Новости науки в картинках
В Африке уровень браконьерства на слонов снизился
Уровень браконьерства на африканских слонов снизился на 60 процентов за шесть лет, как показало международное исследование.Считается, что это снижение может быть связано с запретом на торговлю слоновой костью, введенным в Китае в 2017 году.
Reuters
Научные новости в фотографиях
Древний четвероногий кит, обнаруженный в Перу
Ученые определили четвероногое существо с перепонкой ноги, чтобы быть предком кита. Ископаемые останки, обнаруженные в Перу, привели ученых к выводу, что огромные существа, которые пересекают океаны планеты сегодня, произошли от маленьких копытных предков, которые жили в Южной Азии 50 миллионов лет назад
A.Дженнари
Новости науки в картинках
Обнаружено животное с временным анусом
Ученый наткнулся на существо с временным анусом, которое появляется только тогда, когда это необходимо, прежде чем полностью исчезнуть. Доктор Сидней Тамм из Морской биологической лаборатории сначала не смог найти никаких следов ануса у этого вида. Однако по мере того, как животное наполняется, открываются поры для удаления отходов
Стивен Джонсон
Научные новости в фотографиях
Обнаружена гигантская пчела
Гигантская пчела Уоллеса, опасаясь исчезновения, была замечена впервые почти за все время. 40 лет.Международная группа экологов заметила пчелу, которая в четыре раза больше типичной медоносной пчелы, во время экспедиции на группу индонезийских островов
Clay Bolt
Научные новости в фотографиях
Внутри крокодила обнаружены новые виды млекопитающих
Ископаемые кости, переваренные крокодилами, показали существование трех новых видов млекопитающих, которые обитали на Каймановых островах 300 лет назад. Кости принадлежали двум крупным видам грызунов и маленькому животному, похожему на землеройку
Музей естественной истории Нью-Мексико
Научные новости в картинках
Созданная ткань, изменяющаяся в зависимости от температуры
Ученые из Университета Мэриленда создали ткань который адаптируется к теплу, расширяется, чтобы позволить большему количеству тепла уходить из тела в тепле и уплотняется, чтобы удерживать больше тепла в холоде
Фэй Левин, Мэрилендский университет
Новости науки в картинках
Слезы мышей могут быть использованы для борьбы с вредителями
Исследование, проведенное Токийским университетом, показало, что слезы детенышей мышек заставляют самок мышей меньше интересоваться сексуальными достижениями самцов
Getty
Научные новости в картинках
Последнее предупреждение об ограничении «климатической катастрофы»
Межправительственная группа экспертов по изменению климата выпустила отчет, в котором прогнозируется влияние повышения глобальной температуры на 1 градус.5 градусов Цельсия и предостерегает от более высокого повышения
Getty
Научные новости в картинках
Нобелевская премия для химиков-эволюционистов
Нобелевская премия по химии была присуждена трем химикам, работающим в области эволюции. Фрэнсис Смит получает приз за свою работу по руководству эволюцией ферментов, а Грегори Винтер и Джордж Смит получают приз за свою работу по фаговому дисплею пептидов и антител
Getty / AFP
Научные новости в картинках
Нобель премия для лазерных физиков
Нобелевская премия по физике была присуждена трем физикам, работающим с лазерами.Артур Ашкин (слева) был награжден за его «оптический пинцет», который использует лазеры для захвата частиц, атомов, вирусов и других живых клеток. Донна Стрикленд и Жерар Муру были совместно награждены премией за разработку лазеров, усиливающих чирпированные импульсы
Reuters / AP
Научные новости в фотографиях
Открытие нового вида динозавров
Ледумахади Мафуб бродил около 200 миллионов лет назад в что сейчас Южная Африка. Недавно обнаруженный группой международных ученых, это было самое большое наземное животное своего времени, весом 12 тонн и высотой 13 футов.На сесото, южноафриканском языке региона, в котором был обнаружен динозавр, его название означает «гигантский раскат грома на рассвете»
Viktor Radermacher / SWNS
Научные новости в картинках
Рождение планеты
Ученые стали свидетелями рождение планеты впервые. Это впечатляющее изображение, полученное инструментом SPHERE на Очень Большом телескопе ESO, является первым четким изображением планеты, сделанной в самом процессе формирования вокруг карликовой звезды PDS 70.Планета четко выделяется, она видна в виде яркой точки справа от центра изображения, которая затемняется маской коронографа, используемой для блокировки ослепляющего света центральной звезды.
ESO / A. Мюллер и др.
Новости науки в картинках
Обнаружен новый человеческий орган, который ранее был упущен учеными
Слои, которые долгое время считались плотными, соединительная ткань на самом деле представляет собой серию заполненных жидкостью отсеков, которые исследователи назвали «интерстиций».Эти отделы находятся под кожей, а также выстилают кишечник, легкие, кровеносные сосуды и мышцы и объединяются в сеть, поддерживаемую сеткой из прочных и гибких белков
Getty
Научные новости в картинках
Ранее неизвестное общество жило в тропических лесах Амазонки до прибытия европейцев, говорят археологи.
Работая в бразильском штате Мату-Гросу, группа археологов из Университета Эксетера раскопала сотни деревень, спрятанных в глубинах тропических лесов.Эти раскопки включали доказательства укреплений и таинственных земляных сооружений, называемых геоглифами
José Iriarte
Научные новости в картинках
У каждого десятого человека есть следы кокаина или героина на отпечатках пальцев, результаты исследования
Было обнаружено, что более чем у одного из 10 человек были обнаружены следы кокаина или героина. следы наркотиков класса А на их пальцах от ученых, разрабатывающих новый тест на наркотики на основе отпечатков пальцев. Используя чувствительный анализ химического состава пота, исследователи смогли отличить тех, кто непосредственно подвергался воздействию героина и кокаина, и тех, кто сталкивался с ними косвенно.
Getty
Научные новости в картинках
НАСА опубликовало потрясающие изображения большого красного пятна Юпитера.
Шторм, размер которого превышает размер Земли, длится 350 лет. Цвета изображения были улучшены после того, как оно было отправлено на Землю.
Фотографии: Том Момари
Команда из Мэриленда и еще одна группа под руководством экспертов из Гарвардского университета опубликовали отдельные статьи в Nature , одном из ведущих мировых журналов.
Профессор Эндрю Поттер из Техасского университета в Остине, который был частью команды, возглавляемой Мэрилендом, сказал: «Это открывает дверь в совершенно новый мир неравновесных фаз.
«Мы взяли эти теоретические идеи, над которыми копались последние пару лет, и фактически реализовали их в лаборатории.
«Надеюсь, это только первый из них, и многие другие будут в будущем».
Однако в комментарии, опубликованном Nature , один ведущий эксперт в этой области предположил, что необходимы дополнительные исследования, чтобы без сомнения доказать, что кристаллы времени действительно существуют.
Профессор Четан Наяк из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре написал, что, основываясь на наших текущих знаниях, было естественным увидеть, возможно ли «спонтанно нарушить трансляционную симметрию законов физики во времени».
Но он сказал, что, возможно, необычное переворачивающее движение, наблюдаемое в предполагаемых кристаллах времени, не может длиться вечно.
«Обе группы представляют доказательства существования кристалла времени, – сказал профессор Наяк, – но их объединенные результаты указывают на необходимость экспериментов, которые действительно показывают, что колебания остаются синфазными в течение длительного времени и не размываются неизбежными колебаниями.