物質の状態の一覧

物質は、その構成要素や圧力や温度などの外部要因に応じて、さまざまな相または物質状態に組織化されます。一般的な温度と圧力では、原子は固体、液体、気体という3つの古典的な物質状態を形成します。複雑な分子は、液体と固体の中間相である液晶など、さまざまな中間相を形成することもできます。高温または強い電磁場では、原子はイオン化され、プラズマを形成します。

低温では、固体物質の電子は、抵抗がゼロになる超伝導状態など、物質のさまざまな電子相に組織化されることもあります。強磁性や反強磁性などの磁性状態も、電子スピンと核スピンが異なるパターンに組織化される物質相と見なすことができます。このような物質の状態は、凝縮物質物理学で研究されています。

一部の恒星や初期宇宙で見られる極端な状況では、原子は構成要素に分解され、物質は縮退物質またはクォーク物質の形で存在します。このような物質の状態は、高エネルギー物理学で研究されています。

20 世紀には、物質の特性に関する理解が深まり、物質のさまざまな状態が特定されるようになりました。このリストには、注目すべき例がいくつか含まれています。

• 固体: 固体は容器を必要とせず、一定の形状と体積を保持します。粒子は互いに非常に接近して保持されます。
  • 非晶質固体: 原子の位置の遠距離秩序がない固体。
  • 結晶固体: 原子、分子、またはイオンが規則的な順序で詰まった固体。
  • 準結晶: 原子の位置が長距離秩序を持っているが、繰り返しパターンではない固体。
  • 多形物質の異なる構造相は 、ランダウ理論では異なる物質状態であると考えられています。例については、氷 § 相を参照してください。
• 液体: ほとんど圧縮できない流体。容器の形状に適合しますが、圧力に関係なく (ほぼ) 一定の体積を維持します。
• ガス: 圧縮可能な流体。ガスは容器の形状をとるだけでなく、容器を満たすように膨張します。
• 中間相状態: 固体と液体の中間の物質の状態。
  • 塑性結晶: 長距離の位置秩序を持ちながら、構成分子は回転の自由度を保持している分子固体。
  • 液晶：液体と結晶の中間の性質を持つ。一般的に液体のように流動するが、長距離の配向秩序を示す。
• 超臨界流体: 液体と気体の中間の性質を持つ流体。十分に高い温度と圧力では、液体と気体の区別がなくなり、超臨界流体になります。
• プラズマ：中性原子で構成されるガスとは異なり、プラズマには多数の自由電子とイオン化原子が含まれています。プラズマは磁場と電流を自ら生成し、電磁力に強く集合的に反応します。 ^[1]

• ボース・アインシュタイン凝縮: 多数のボソンがすべて同じ量子状態にあり、実質的に 1 つの波/粒子になる状態。これは、実験室条件と非常に低い温度でのみ形成される低エネルギー状態です。絶対零度に近くなければなりません。サティエンドラ・ナート・ボースとアルバート・アインシュタインは1920 年代にこのような状態の存在を予測しましたが、エリック・コーネルとカール・ウィーマンによって 1995 年まで観察されませんでした。
• フェルミオン凝縮: ボーズ・アインシュタイン凝縮に似ていますが、フェルミオンで構成され、フェルミ・ディラック凝縮とも呼ばれます。パウリの排他原理により、フェルミオンは同じ量子状態に入ることができませんが、フェルミオンのペアは互いに結合してボソンのように動作し、2 つ以上のそのようなペアは、制限なく、特定の総運動量の量子状態を占めることができます。
• 超伝導体:特定の物質を特性臨界温度以下に冷却すると、電気抵抗がゼロになり磁場が排除される現象から生成される物質。超伝導は、多くの元素金属の基底状態です。超伝導体には複数の種類があります。
  • 従来型超伝導体: 一重項秩序パラメータを持つ BCS 理論によって記述される超伝導体。
  • 非従来型超伝導体: 追加の対称性を破る超伝導体。たとえば、 d波または三重項超伝導体、またはフルデ・フェレル・ラーキン・オブチンニコフ超伝導体。
  • 強磁性超伝導体：強磁性と超伝導が本質的に共存する材料。
  • 電荷 4e 超伝導体: 電子がクーパー対としてではなく、電子の四重項として結合しているという提案された状態。
• 超流動:極低温の液体が極度の温度に達すると、摩擦なしで流動できるようになる状態。超流動は、開いた容器の側面を上昇し、外側を下降することができます。回転する容器に超流動を入れると、量子化された渦が発生します。
• 超固体: 超流体と同様に、超固体は摩擦なしに移動できますが、硬い形状を維持します。

• 強磁性: 自発的に磁化される物質の状態。
• 反強磁性: 隣接するスピンが互いに反平行であり、正味の磁化が存在しない物質の状態。
• フェリ磁性: 局所モーメントが部分的に打ち消される状態。
• 変成磁性: 正味磁化がゼロで電子バンドがスピン分裂した状態。
• スピン密度波：スピン密度が周期的に変調される秩序ある状態。
• 螺旋磁性: 空間的に回転する磁気秩序を持つ状態。
• スピングラス: ランダム性を特徴とする磁気状態。
• 量子スピン液体: 相互作用する量子スピンのシステムにおける無秩序状態。他の無秩序状態とは異なり、非常に低い温度まで無秩序性が維持されます。

• 強誘電性: 自発的な電気分極を持つ物質の状態。
• 反強誘電性: 隣接する電気双極子が反対方向を向いている物質の状態。
• 料金の注文
• 電荷密度波：電荷密度が周期的に変調される秩序ある状態。

• 量子ホール状態: 量子化されたホール抵抗を持つ物質の位相的状態。
  • 分数量子ホール状態: 分数電荷を持つ準粒子の状態。ホール抵抗は抵抗量子の分数倍に量子化されます。
  • 量子スピン ホール状態: エネルギーの散逸が少なく、熱の発生も少ない電子デバイスの開発への道を開く可能性のある理論的な段階。これは物質の量子ホール状態の派生です。
  • 量子異常ホール状態：外部磁場が存在しない場合でも量子化されたホール抵抗を持つ状態。
• トポロジカル絶縁体: 内部は電気絶縁体として振る舞い、表面は電気導体として振る舞う物質。
• 分数チャーン絶縁体: 分数量子ホール状態を格子上の電子に一般化したもの。
• ベレジンスキー-コステルリッツ-サウレス状態: 束縛されていない渦-反渦のペアを持つ 2D 状態。
• ストリングネット液体: この状態の原子は液体のように不安定な配置をしていますが、全体的なパターンは固体のように一貫しています。
• トポロジカル半金属: ^[2]
  • ワイル半金属
  • ディラック半金属
• トポロジカル超伝導体^[3]

物質の金属状態と絶縁状態は、金属-絶縁体転移によって結びついた物質の異なる量子相として考えることができる。物質はフェルミ面の構造と零温度直流伝導度によって次のように分類できる。^[4]

• 金属：
  • フェルミ液体: フェルミ面で明確に定義された準粒子状態を持つ金属。
  • 非フェルミ液体: 非従来的な特性を持つさまざまな金属状態。
• 絶縁体
  • バンド絶縁体：電子スペクトルのバンドギャップにより絶縁性を示す物質
  • モット絶縁体：電子間の相互作用により絶縁性を示す物質。
  • アンダーソン絶縁体: 不規則性による干渉効果により絶縁性を示す材料。
  • 電荷移動絶縁体

• 時間結晶: 物体が最低エネルギー状態でも運動できる物質の状態。
• 物質の隠れた状態: 熱平衡状態では到達不可能または存在しないが、光励起などによって誘発できる相。
• ミクロ相分離：構成単位が一体性を保ったまま多様な相を形成する。
• 連鎖溶融状態: カリウムなどの金属は、高温高圧下では固体と液体の両方の特性を示します。
• ウィグナー結晶：低密度電子の結晶相。
• 六次状態、二次元粒子システムにおける固体相と等方性液体相の中間にある物質の状態。
• フェロイックス

• 強弾性状態、物質が自発的な歪みを示す現象。

• 光子分子: 見かけの質量によって引き付けられ、エネルギー伝達を媒介しながら互いに接続された光子。

• 縮退物質:パウリの排他原理によって裏付けられる、非常に高圧下にある物質。
  • 電子縮退物質:白色矮星の内部に存在します。電子は原子に束縛されたままですが、隣接する原子に移動することができます。
  • 中性子縮退物質:中性子星に存在します。巨大な重力によって原子が圧縮され、電子は逆ベータ崩壊によって陽子と結合せざるを得なくなり、超高密度の中性子の集合体になります。(通常、原子核の外側にある自由中性子は、半減期が 15 分弱で崩壊しますが、中性子星では、原子核と同様に、他の効果によって中性子が安定化されます。)
  • ストレンジ物質:トールマン・オッペンハイマー・フォルコフ限界（太陽の約2～3倍の質量）に近い中性子星の内部に存在する可能性があるクォーク物質の一種。形成されると、より低いエネルギー状態で安定する可能性があります。
• クォーク物質: クォークとグルーオンの自由度を含む物質の仮想的な相
  • カラーガラス凝縮液
  • カラー超伝導
  • クォーク・グルーオン・プラズマ:グルーオン（クォーク同士を結びつける強い力を伝達する亜原子粒子）の海の中で、クォークが自由になり、独立して動けるようになる段階（永久に粒子に束縛されたり、力を及ぼすとエネルギーが加わり、最終的に別のクォークに固まる量子ロックで互いに束縛されたりするのではなく）。粒子加速器や中性子星の内部で一時的に実現できる可能性がある。
• ビッグバン後、最大 10 ⁻³⁵秒間、宇宙のエネルギー密度は非常に高かったため、自然界の 4 つの力、つまり強い力、弱い力、電磁力、重力が1 つの力に統合されたと考えられています。この時点での物質の状態は不明です。宇宙が膨張するにつれて、温度と密度が低下し、重力が分離しました。このプロセスは対称性の破れと呼ばれます。