相態列表

相態列表是關於各種常見（固態，液態，氣態，等離子態）和不常見的相態（物質在一定溫度壓強下所處的相對穩定的狀態）的列表，列表是根據能量密度由低到高排列。

基本介紹

• 中文名：相態列表
• 外文名：List of states of matter

簡介

相態列表是關於各種常見（固態，液態，氣態，等離子態）和不常見的相態（物質在一定溫度壓強下所處的相對穩定的狀態）的列表，列表是根據能量密度由低到高排列。

低能量態

• 負絕對溫度（Negative Absolute Temperature）：不是一種負能量，只是一種反的能量分布，目前的實驗達到了低於絕對零度數十億分之一度。有可能製造出新的物質相負溫度物質。負絕對溫度氣體還能模擬暗能量。
• 量子霍爾態（Quantum Hall state）：這個狀態發生於量子霍爾電壓測量的方向垂直於電流的流動方向，會使得導線中的電子與空穴受到不同方向的洛倫茲力而往不同方向上凝聚，在聚集地點的電子與空穴之間會產生電場，此一電場將會使後來的電子空穴受到電力作用而平衡掉磁場造成的洛倫茲力，使得後來的電子空穴能順利通過而不會發生偏移，此稱為霍爾效應。而產生的內建電壓稱為霍爾電壓。
• 量子反常霍爾態（unusual Quantum Hall state）：量子反常霍爾效應不依賴於強磁場而是由材料本身的自發磁化產生，在零磁場中就可以實現量子霍爾態。
• 量子自旋霍爾態（Quantum spin Hall state）：根據上述的霍爾效應，量子自旋霍爾態可能會為發展浪費更少的能源，產生較少熱量的電子設備的理論階段鋪平道路。這是一個推導的量子霍爾狀態。
• 玻色氣體（Bose gas）：是一個經典的量子力學中的理想氣體模型。結合薩特延德拉·玻色和愛因斯坦共同提出的理想的玻色氣體，指的是在接近絕對零度一群玻色子會形成所謂的固化物，而固化物的形成即玻色–愛因斯坦凝聚。
• 費米氣體（Fermi gas）：又稱為自由電子氣體（free electron gas）、費米原子氣體，是一個量子統計力學中的理想模型，指的是一群不相互作用的費米子。在金屬、半導體內的電子或中子星里的中子，都可以視為近似於費米氣體。
• 玻色-愛因斯坦凝聚態（Bose-Einstein condensate，BEC）：有大量玻色子占據同一量子態形成。1995年首次使用銣原子和鈉原子製造出玻色-愛因斯坦凝聚體，2003年創造了分子玻色-愛因斯坦凝聚物，2010年實現光子玻色-愛因斯坦凝聚。
• 費米子凝聚態（Fermionic condensate）：和玻色-愛因斯坦凝聚態相似，但由費米子組成。根據泡利不相容原理，不同費米子不能占據同一量子態，但費米子在存在吸引相互作用的情況下，費米子先進行配對形成庫柏（cooper）對，然後庫柏對發生凝聚，稱為巴丁-庫珀-徐瑞弗超流（Bardeen-Cooper-Schrieffer，BCS），從而占據同一量子態。2003年實現費米凝聚，2004年將具有費米子特徵的鉀原子氣體成功實現簡併費米氣體（Degenerate Fermi Gas，DFG）。
• 多級有序態（multipolar order）：在這種相態中，電子以一種非同尋常的方式排列。相態很可能是由一對對自旋方向相反的電子組成的，稱為磁四極（magnetic quadrupole）。用晶體對光學諧波的反應來判斷多極有序態是否出現，第二諧頻的反射光揭示了一種與已知晶體結構完全不同的對稱性，而在反射回的基頻光中完全觀察不到這一效果，這清晰的顯示了一種特定的多極有序態的存在。
• 超導體（Superconductor）：可以在在特定溫度以下，呈現電阻為零的導體。零電阻和抗磁性是超導體的兩個重要特性。
• 超流體（Superfluid）：極少數流體，比如液氦，在極低溫下會形成一種完全無摩擦的流體，這種現象叫做超流現象（Superfluidity）。如果將超流體放置於環狀的容器中，由於沒有摩擦力，它可以永無休止地流動。在常壓下，液態的He和He，在絕對零度時也不能凝結成固體。它們的量子效應顯著，在各自對應的溫度和壓力下，發生由黏性液體轉變為無黏滯的超流體的相變，同時還存在其他的特殊現象，這些液體稱為量子液體（Quantum liquid）。又可區分為費米液體（Fermi liquid）（如液態He）和玻色液體（Bose liquid）（如液態He）兩類。
• 拓撲超流體（Topological Superfluid）：包括拓撲超導體（Topological Superconductor）、拓撲超流體，其內部受能隙保護，而在系統邊緣卻可以激發出無能隙的馬約拉納費米子，不同邊界處馬約拉納費米子的傳播應該是反向的，由於該粒子不受外界環境的干擾，用它們攜帶量子化的信息，所以可以用於拓撲量子計算的研究。利用對稱性可以將拓撲超流態分為時間反演不變的拓撲超流態和時間反演對稱破壞的拓撲超流態。具有時間反演不變的拓撲超流態在體系統裡面有配對能隙，其表面態具有Majorana費米子。自旋軌道耦合超導體是常見的時間反演不變的拓撲超導體。自旋向上的費米子配對為px+ipy態，自旋向下的費米子配對為px-ipy態。這類拓撲超導態在體系統裡面有能隙，在材料邊界上有相向傳播的馬約拉納費米子。新的研究對自旋軌道耦合的冷費米氣體提出了一系列新奇的量子相，包括空間各項異性的超流， 由橫向磁場引起的Fulde-Ferrell (FF)配對超流， 以及縱向磁場驅動的基於Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS)配對的拓撲超流。破壞時間反演的拓撲超流態由拓撲整數來進行分類。拓撲量子數為奇數的拓撲超導的量子渦旋裡面有奇數個馬約拉納費米子，此類拓撲態的準粒子滿足非阿貝爾統計，並且由於具有非局域的拓撲性，可以抵抗局域的噪聲干擾，所以己經有方案指出可以利用這些優勢來做拓撲量子計算。p+ip超導是常見的破壞時間反演不變對稱性的拓撲超導。在弱配對相裡面，p+ip的手征超導體在邊界上具有手征性的馬約拉納邊緣態。2014年中國的新研究提出了無能隙拓撲超流態，這一新物質相具有空間不均勻的序參量，在動量空間中體系內部的能隙關閉點形成環（如果是二維體系）或面（三維體系）， 在實空間中體系的兩個相對邊界上能同向傳播馬約拉納費米子。
• 偏振子超流體（Polariton Superfluid）：一種加入了大量被減速和囚禁的偏振子的固體，具有雷射和超導體性質的物質態。在超導體中，這種加入能夠獲得完美的電荷流動。這種行為會產生一種類似雷射但是能量效率要高得多的純光束。2007年美國的研究者做出了這項發現。
• 量子液晶（Quantum liquid crystals）：2012年美國研究者用金屬鏑創造出偶極量子費米氣體（Dipolar Quantum Fermi gas），該費米子氣體具有晶體和超流體二者看似矛盾的特徵，有望據此發現量子液晶或超固體。中國研究者提出了三維偶極費米氣體的外爾（Wely）超流體。
• 超流氣體（Superfluid gas）：在高溫下（約五百億分之一絕對溫度，使粒子處於正常密度的最高溫度）擁有超流動性的氣態銣原子，可以自由流動沒有阻力，在超冷費米氣體的實驗中觀察到量子旋渦。
• 超固體（Supersolid）：可以（在保持自身形狀，不發生形變的情況下）完成完全無摩擦的運動，同時具有固體與流體的特徵。2004年美國的研究者發現了超固體。當He在高壓下冷卻至2K以下，超流體便相變成超固體，它可以零粘度流動。
• 超玻璃（Superglass）：同時擁有超流體和冷凍晶體結構的特性的物質狀態。
• 拉廷格液體（Luttinger liquid）：全稱朝永-拉廷格液體（Tomonaga-Luttinger liquid），一維電子氣體作為玻色子的低能量激發，將一條很細的純淨度極高的量子線冷卻到接近絕對零度(-273 ℃)，再對材料施加一個橫穿磁場，消除雜質的破壞性作用，材料中的自由電子云將變成只有左、右方向運動的電子，電子互相連線著，就象火車車廂一樣一起運動，1994年的美國一個研究證實了這種物質形態。
• 準三維電子晶體（quasi-three-dimensional electron crystal）：介於二維和三維之間的一種物質，將最純淨的半導體材料置入超低溫環境下，然後暴露在強磁場中，其中的電子呈現了奇特的量子態。
• 里德伯態（Rydberg matter）：里德伯態屬於強力的非理想等離子的其中一種介穩定狀態。當電子處於很高的激發態後冷凝而形成。當到達某個溫度時，這些原子會變成離子和電子。在2009年研究員成功由一粒里德伯原子和一粒基態原子中創造出里德伯分子（實驗中用極冷的銣原子）。
• 透明鋁（Transparent aluminium）：2009年利用德國漢堡電子同步加速器中心的自由電子雷射裝置（FLASH）產生的極短軟X射線脈衝，集中發射到頭髮絲直徑1/20的金屬鋁點上，每個鋁原子都失去一個核心電子，同時卻沒有破壞鋁內部的晶體結構，從而使金屬鋁在極短紫外線輻射的狀態下變得近乎透明，維持了約40飛秒。這一光化電離方式是研製類似新態物質的理想方式，極強的X射線源可催生新的物質狀態。
• 二維電子氣（2DEG）：是指電子可以在二維方向自由移動，而在第三維上則受到限制的現象。在過渡金屬氧化物（TMO）材料表面，電子密度很高，是一種平面電子集合，一種二維液體。
• 光子態（Photonic matter）：在一個量子非線性介質中，光子可以表現得有質量，並能相互作用，形成光子分子（Photonic molecule）。2013年美國的研究團隊成功誘使兩個光子結合成分子形態，而這種光子束縛態以前只存在於純理論中。光子分子的物理特性和雷射不一樣，更像科幻電影裡面的光劍（lightsaber）。
• 液態光（Liquid Light）：一種猜想，2002年的一項研究認為在雷射束中的光子是可以凝聚為具有液態性質的光滴（light droplets）的。當雷射通過非線性光學介質時， 可以產生自聚焦。液態光應保持成光滴狀，但這些光滴並不靜止，它們以光速進行著運動。

固態（Solid）

• 塑性晶體（Plastic crystal）：又稱為柔粘性結晶，固體分子有固定位置，但保留了組成分子自由的旋轉。
• 導體、半導體、絕緣體、拓撲絕緣體：一般固體材料依照其導電性分為絕緣體、半導體、導體。絕緣體在費米能處存在著有限大小的能隙，所以沒有自由載流子；導體在費米能級處存在著有限的電子態密度，所以擁有自由載流子；半導體包括陳半導體和狄拉克半導體，在費米能處沒有能隙，但是費米能級處的電子態密度仍然為零。拓撲絕緣體是一類特殊的絕緣體，材料內的能帶結構是典型的絕緣體類型，在費米能處存在著能隙，但是在該類材料的表面總是存在著穿越能隙的狄拉克型電子態，所以導致其表面總是導電的。這一特殊的結構是由其能帶結構的特殊拓撲性質所決定的。
• 非晶形固體（Amorphous solid）：或稱非晶體、無定形體，固體中不存在遠程有序的原子。常見的非晶態固體有高分子聚合物、氧化物玻璃、非晶形玻璃（Amorphous glassy solid）、非晶形橡膠（Amorphous rubbery solid）、非晶態金屬和非晶態半導體等。
• 結晶固體（Crystalline solid）：組成的固體原子，分子或離子，有一個有序，重複的模式。
• 半晶態（part-crystalline））：複雜體系中由於化學鍵的複雜性，隨著外場條件發生變化，材料體系表現為部分晶態-部分無序（part-crystalline part-amorphous）和部分晶態-部分液體（part-crystalline part-liquid）的特殊狀態，材料巨觀上表現為固體狀態，但由於物質內部部分原子的劇烈無序和局部流動特性，經典固體理論中的基於小參數（small parameter）近似的聲子輸運理論不再適用，處於這樣狀態的物質普遍表現出反常的熱輸運行為和極低晶格熱導率等。
• 準晶態（Quasicrystaline）：亦稱為擬晶（mimetic crystal），是一種介於晶體和非晶體之間的固體。在準晶的原子排列中，其結構是長程有序的，然而又不具有晶體所應有的平移對稱性，因而可以具有晶體所不允許的巨觀對稱性。
• 磁序狀態（Magnetically ordered）：在過渡金屬的原子中有電子單獨存在於原子軌域而且不形成化學鍵，所以在淨自旋不是0的情況下擁有淨磁矩，不同原子的磁矩都是有規則地排列，因此可以製成亞鐵磁體（Ferrimagnetics）、磁鐵（Ferromagnet）和反鐵磁體（Antiferromagnet）。自旋玻璃（Spin glass）是一種亞穩定狀態的磁性材料。自然界有三種基本的磁性狀態，磁性和反磁性以及量子自旋液（又稱為液態自旋量子，Quantum spin liquid，簡稱QSL），物質本身是固態晶體，而其磁性卻表現為液態行為。
• 微相分離（Microphase-separated）：共聚物可以進行微相分離，以形成一個多元化的周期納米結構陣列。這個尺寸是微觀或亞微觀的，外觀上是均勻的看不出分層現象，但是用微觀手段仍能觀察到兩相結構的存在。
• 二維晶體（2D crystals）：是一種由原子組成的平面薄膜，只有一個原子厚度的二維材料，比如石墨烯以及新近發現的鍺烯（germanene）。
• 分子監獄（Carcerand）與半-分子監獄（Hemicarcerand）：分子監獄是指一類閉合的分子容器，據有較大空腔沒有出入口。能夠使客體分子完全陷入其中，即使在高溫條件下也不能脫離出來。這種類型的分子是在1985年由唐納德·詹姆斯·克萊姆 (Donald James Cram)首次描述的。由於其構造和監獄相類似，而且形成穩定絡合物分子，所以也稱此種絡合物為牢籠式絡合物（Carceplex）。與分子監獄相對的是半-分子監獄，在常溫下則會形成穩定的絡合物，但在高溫下能讓客體分子自由進出其空腔，這種絡合物是也稱半牢籠式絡合物（Hemicarceplexes）。這些客體分子存在的物態不同於常見的相態。這些分子容器內的化合物作為內相時，可觀察到完全非同一般的絡合反應，可防止它們與其他分子發生反應。
• 姜-泰勒金屬（Jahn-Teller Metallic）：集絕緣體、超導體、金屬和磁體的特性於一體的新物質形態。2015年日本化學家通過將銣原子引入C₆₀中，改變了碳原子之間的距離，強迫其形成了一種新的晶體結構。這個名字來自姜-泰勒(Jahn-Teller)效應，該效應形容在低壓環境下，電子狀態下呈幾何排列的分子和離子能發生扭曲，這種新物質狀態能通過簡單施壓將絕緣體變為導體，且這種效果能持續一段時間，而分子還能維持其原有的形狀。因此這種物質形態會有各種重疊，暗示著能將絕緣材料變為超導體。這種C₆₀晶體結構在相對較高的臨界溫度下能變為超導體。

弦狀網液態（String-net liquid）

原子的這種狀況是不穩定的排列，像液體一樣，但仍有固定的總體格局，像一個固體。

液態（Liquid）

• 非牛頓流體（Non-Newtonian fluid）:部分液體摩擦應力的大小受作用力和剪應力所影響，在某一個流動情況之下便變成無定形體。除與當前的運動狀態外還與液體過去的運動狀態有關，此種液體有記憶效應。非牛頓流體可以分為純粘性非牛頓流體與粘彈性非牛頓流體兩類。
• 液晶（Liquid crystal）：性質在液體和晶體之間。一般來說，能像液體一樣流動，但也表現出長程有序。
• 酯膜結構（Acetate membrane structure）：酯膜結構和液晶一樣具有柔性排列結構的特性，但分子間的連結程度又較液晶更小，與液體相同，因此物質可以像在液體中一樣地通過酯膜結構的物質。

氣態（Gas）

可壓縮流體。形狀和體積都由容器限定。

膠體（Colloid）

• 凝膠（Gel）：又稱凍膠。高分子溶液和某些溶膠在一定條件下互相連線，形成空間網狀結構，結構空隙中充滿了作為分散介質的液體（在乾凝膠中也可以是氣體，乾凝膠也稱為氣凝膠），整個體系會轉變成一種彈性的半固體狀態的稠厚物質，失去流動性。這種現象稱為膠凝作用（gelation），所形成的產物叫做凝膠或凍膠。氣凝膠（Aerogel）是指分散係為氣態的，如：雲，霧等，固凝膠，液凝膠就是呈液態的膠體，如氫氧化鐵膠體。

高能量態

• 奇異物質（Strange matter）：是夸克物質的一種特例，包含上夸克、下夸克和奇夸克的流體。這是與核物質（質子、中子等構成的普通物質）及非奇異夸克物質（non-strange quark matter，除奇異物質外的夸克物質）相對的概念。
• 金屬氫（Metallic hydrogen）：是由氫原子核（即質子）組成的晶體結構，其原子間隔小於玻爾半徑，與電子波長長度相當。電子脫離了分子軌道，表現為一般金屬中的傳導電子。金屬氫中的質子既是普通陽離子，又是原子核，因此金屬氫也是唯一既屬於超金屬，又屬於通常金屬的物質。
• 電子簡併態（Electronic degenerate matter）：又稱為超金屬，白矮星的組成物質，密度很大。電離的電子在被電離的離子能態上形成的簡併態物質。
• 中子簡併態（Neutron-degenerate matter）（中子態Neutronium）：中子星的組成物質。恆星引力坍縮的巨大壓力將電子壓入原子核，成為原子核的一部分，與質子結合為中子，形成主要由中子組成的密度極大質量極大的物質。
• 夸克物質（Quark matter））：也被稱為量子色動力學物質（QCD matter），夸克突破夸克禁閉（quark confinement）也稱色禁閉。可能存在一些特別大的中子星，可形成穩定在較低的能量狀態。
• 輻射場態（Radiation field matter）：又叫真空場態物質，真空中，即便沒有實體粒子，也存在引力場和熱輻射。具有輻射作用的場，包括電磁場（包括無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外線和γ射線等）和引力場等。滿足一定條件場和實體粒子可以相互轉化。
• 量子場態（Quantum field matter）：量子場論中，物質的質量僅被視為場的平方項之係數，並不具備實質物理意義。
• 超離子態（Superionic）： 在一些物質中觀察到，有些原子固定在晶格上， 其它的原子則可在晶體中自由移動。水在高溫及超高壓的狀態下可能形成超離子態，氧原子被凍結在不規則的晶格上，氫原子核則可在氧原子間自由活動，使水具有導電性，水中的氫原子核如同導體中的電子。
• 超臨界流體（Supercritical fluid）：在超過臨界點的溫度及壓力時，出現液體,氣體無法區分的物質狀態。
• 等離子態（等離子，Plasma）：在高溫下，電子完全從原子中電離出來，所組成的自由電子氣體。
• 夸克-膠子電漿（Quark-gluon plasma，簡稱QGP）：一種量子色動力學下的相態，所處環境為極高溫與極高密度。自由夸克存在於膠子海洋中的物質狀態。
• 彩色玻璃冷凝物（Color-glass condensate）：質子相互撞擊還會產生一種液狀物波膠子。
• 簡併態（Degenerate matter）：物質有非常高的壓力，由泡利不相容原理支持。

甚高能量態

• 弱對稱物質（Weakly symmetric matter）：大爆炸後10秒後，弱相互作用和電磁相互作用統一時產生。
• 強對稱物質（Strongly symmetric matter）：大爆炸後10秒後， 隨著宇宙的擴大，溫度和密度下降，強作用力的分離，這個過程被稱為對稱破缺。
• 引力奇點（Gravitational singularityr）：也稱時空奇異點或奇點，是一個體積無限小、密度無限大、時空曲率無限大的點。引力異常所預測的廣義相對論存在的黑洞中心，它不是一個物質的相態（雖然大規模的能源有助於其創造物質）。

暗物質（Dark matter）

• 2012年加拿大佩里米特理論物理研究所研究員文小剛在美國《科學》雜誌的發表文章提出一種能夠最終對相態進行分類的新理論體系，物質有500多種相態。該理論可以在任何維度、任何對稱性的基礎上對保有對稱性的相態實施構築和分類。

參見

• 相態
• 物質狀態