Lista de estados de la materia

La materia se organiza en varias fases o estados de la materia dependiendo de sus constituyentes y de factores externos como la presión y la temperatura. A temperaturas y presiones comunes, los átomos forman los tres estados clásicos de la materia: sólido, líquido y gaseoso. Las moléculas complejas también pueden formar varias mesofases, como cristales líquidos, que son intermedias entre las fases líquida y sólida. A altas temperaturas o campos electromagnéticos fuertes, los átomos se ionizan y forman plasma.

A bajas temperaturas, los electrones de los materiales sólidos también pueden organizarse en varias fases electrónicas de la materia, como el estado superconductor, que se caracteriza por una resistividad que desaparece. Los estados magnéticos como el ferromagnetismo y el antiferromagnetismo también pueden considerarse fases de la materia en las que los espines electrónico y nuclear se organizan en diferentes patrones. Estos estados de la materia se estudian en física de la materia condensada.

En las condiciones extremas que se encuentran en algunas estrellas y en el universo primitivo, los átomos se rompen en sus constituyentes y la materia existe como alguna forma de materia degenerada o materia de quarks. Estos estados de la materia se estudian en física de altas energías.

En el siglo XX, una mayor comprensión de las propiedades de la materia dio como resultado la identificación de muchos estados de la materia. Esta lista incluye algunos ejemplos notables.

Estados de la materia de baja energía

Estados clásicos

• Sólido: Un sólido tiene una forma y un volumen definidos sin necesidad de un contenedor. Las partículas se mantienen muy cercanas entre sí.
  • Amorfo sólido: Un sólido en el que no hay orden de largo alcance de las posiciones de los átomos.
  • Cristalina sólida: Un sólido en el que los átomos, moléculas o iones están empaquetados en orden regular.
  • Quasicrystal: Un sólido en el que las posiciones de los átomos tienen orden de largo alcance, pero esto no está en un patrón de repetición.
  • Diferentes fases estructurales de materiales polimorficos se consideran diferentes estados de materia en la teoría de Landau. Por ejemplo, vea Ice § Phases.
• Liquid: Un líquido casi no admisible. Capaz de conformarse a la forma de su contenedor, pero conserva un volumen constante (casi) independiente de la presión.
• Gas: Un líquido compresible. No sólo un gas tomará la forma de su contenedor, sino que también se expandirá para llenar el contenedor.
• Estado mesomorfo: Estados de materia intermedia entre sólido y líquido.
  • Cristal plástico: Un sólido molecular con orden posicional de largo alcance pero con moléculas constitutivas conservan la libertad de rotación.
  • Cristal líquido: Propiedades intermedias entre líquidos y cristales. Generalmente, capaz de fluir como un líquido pero exhibiendo orden orientativo de largo alcance.
• Fluido supercrítico: A temperaturas y presiones suficientemente altas, la distinción entre líquido y gas desaparece.
• Plasma: A diferencia de los gases, que se componen de átomos neutros, el plasma contiene un número significativo de electrones libres y átomos ionizados. Puede autogenerar campos magnéticos y corrientes eléctricas y responde fuertemente y colectivamente a las fuerzas electromagnéticas.

Condensados, superfluidos y superconductores

• Condenado Bose-Einstein: Una fase en la que un gran número de bosones habitan el mismo estado cuántico, en efecto convirtiéndose en una sola onda/partícula. Esta es una fase de baja energía que sólo se puede formar en condiciones de laboratorio y a temperaturas muy bajas. Debe estar cerca de cero kelvin, o absoluto cero. Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron la existencia de tal estado en la década de 1920, pero no fue observado hasta 1995 por Eric Cornell y Carl Wieman.
• condensado fermiónico: Similar al condensado Bose-Einstein pero compuesto de fermions, también conocido como condensado Fermi-Dirac. El principio de exclusión de Pauli impide que los fermions entren en el mismo estado cuántico, pero un par de fermiones pueden estar ligados entre sí y comportarse como un bosón, y dos o más de estos pares pueden ocupar estados cuánticos de un impulso total dado sin restricción.
• Superconductividad: Un fenómeno de exactamente cero resistencia eléctrica y expulsión de campos magnéticos que se producen en ciertos materiales cuando se enfrían debajo de una temperatura crítica característica. La superconductividad es el estado del suelo de muchos metales elementales. Los superconductores vienen en múltiples variedades:
  • Superconductor convencional: Un superconductor descrito por la teoría de BCS con un parámetro de pedido de un singlet.
  • Superconductor no convencional: Un superconductor que rompe simetrías adicionales. Por ejemplo, d- Superconductor de onda o triplete, o un superconductor Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov.
  • Superconductor ferromagnético: Materiales que muestran la coexistencia intrínseca del ferromagnetismo y la superconductividad.
  • Charge-4e superconductor: Un estado propuesto en el que los electrones no están atados como Cooper pares sino como cuádruples de electrones.
• Superfluid: Una fase alcanzada por unos pocos líquidos criogénicos a temperatura extrema a la que pueden fluir sin fricción. Un superfluido puede fluir por el lado de un contenedor abierto y por el exterior. Colocar un superfluido en un contenedor de spinning resultará en vórtices cuantificados.
• Supersolid: similar a un superfluido, un supersólido puede moverse sin fricción pero conserva una forma rígida.

Estados magnéticos

• Ferromagnetismo: Un estado de materia con magnetización espontánea.
• Antiferromagnetismo: Un estado de materia en el que la columna vecina es antiparalela entre sí, y no hay magnetización neta.
• Ferrimagnetismo
• Altermagnetism
• Ola de densidad de giro: Un estado ordenado en el que se modula periódicamente la densidad de la columna.
• Helimagnetismo
• Cristal de giro: Un estado magnético caracterizado por azar.
• líquido de giro cuántico: Un estado desordenado en un sistema de giros cuánticos interactuando que preserva su trastorno a temperaturas muy bajas, a diferencia de otros estados desordenados.

estados ordenados electrónicamente

• Ferroelectricidad: Un estado de materia con polarización eléctrica espontánea.
• Antiferroelectricidad: Un estado de materia en el que las dipoles eléctricos adyacentes apuntan en direcciones opuestas.
• Ordenación de carga
• Onda de densidad de carga: Un estado ordenado en el que se modula periódicamente la densidad de carga.

Estados topológicos de la materia

• Quantum Estado del pabellón: Un estado topológico de la materia con la resistencia cuantitativa Hall.
  • Cuántico fraccional Estado del pabellón: Un estado con partículas cargadas fraccionadamente. La resistencia del salón se cuantifica a múltiples fraccionales de resistencia cuántica.
  • Espejo cuántico Estado del pabellón: una fase teórica que puede allanar el camino para el desarrollo de dispositivos electrónicos que disipan menos energía y generan menos calor. Esto es un derivado del estado cuántico de la materia Hall.
  • Quantum anomalous Estado del pabellón: Un estado que tiene una resistencia cuantitativa de Hall incluso en ausencia de campo magnético externo.
• Aislador topológico: un material cuyo interior se comporta como aislante eléctrico mientras su superficie se comporta como conductor eléctrico.
• Fraccional Chern insulador: Una generalización del estado de la Sala de Cuántico fraccional a electrones en una celosía.
• Berezinskii-Kosterlitz-Thouless state: Un estado 2D con pares de vórtice antivortex sin límites.
• Líquido de cadena: Los átomos en este estado tienen arreglos inestables, como un líquido, pero siguen siendo consistentes en el patrón general, como un sólido.
• semimetales totológicos:
  • Weyl semimetal
  • Dirac semimetal
• Superconductor Topológico

Clasificación por conductividad

Los estados metálico y aislante de los materiales pueden considerarse como diferentes fases cuánticas de la materia conectadas por una transición metal-aislante. Los materiales se pueden clasificar según la estructura de su superficie de Fermi y la conductividad de CC a temperatura cero de la siguiente manera:

• Metal:
  • Fermi liquid: un metal con estados de quasiparticle bien definidos en la superficie de Fermi.
  • líquido no férmico: Varios estados metálicos con propiedades no convencionales.
• Insulador
  • Aislador de banda: Un material que está aislante debido a una brecha de banda en su espectro electrónico
  • Mott insulador: Un material que está aislante debido a interacciones entre electrones.
  • Anderson insulador: Un material que está aislante debido a los efectos de interferencia inducidos por el trastorno.
  • Aisladores de transferencia de carga

Estados varios

• Cristales de tiempo: Un estado de materia donde un objeto puede tener movimiento incluso en su estado de energía más bajo.
• Estados ocultos de materia: Fases que son inalcanzables o no existen en el equilibrio térmico, pero pueden inducidos por ejemplo por fotoexcitación.
• Estado fundido en cadena: Metales, como potasio, a alta temperatura y presión, presentan propiedades tanto de sólido como de líquido.
• Cristal Wigner: una fase cristalina de electrones de baja densidad.
• Estado hexático, un estado de materia que está entre las fases líquidas sólidas y isotrópicas en sistemas bidimensionales de partículas.
• Estado ferroelástico, un fenómeno en el que un material puede exhibir una cepa espontánea.

Estados de alta energía

• Asunto degenerado: Materia bajo muy alta presión, apoyada por el principio de exclusión Pauli.
  • Material electron-degenerado: Encontrado dentro de estrellas enanas blancas. Los electrones permanecen vinculados a los átomos pero pueden transferirse a los átomos adyacentes.
  • Neutron-degenerate matter: encontrado en estrellas de neutrones. La presión gravitacional vasta comprime los átomos tan fuertemente que los electrones se ven obligados a combinar con protones a través de la desintegración inversa de beta, lo que resulta en una conglomeración súper densa de neutrones. (Normalmente neutrones fuera de un núcleo atómico se desintegrará con una vida media de apenas quince minutos, pero en una estrella de neutrones, como en el núcleo de un átomo, otros efectos estabilizan los neutrones.)
  • Extraño asunto: Un tipo de materia de quark que puede existir dentro de algunas estrellas de neutrones cerca del límite Tolman–Oppenheimer–Volkoff (aproximadamente 2–3 masas solares). Puede ser estable en estados de energía inferiores una vez formados.
• Quark matter: Fases hipotéticas de materia cuyos grados de libertad incluyen quarks y gluones
  • condensado de vidrio de color
  • Superconductividad de color
  • plasma Quark-gluón: Una fase en la que los quarks se vuelven libres y capaces de moverse independientemente (en lugar de estar perpetuamente ligados en partículas, o ligados entre sí en una cerradura cuántica donde el esfuerzo fuerza agrega energía y finalmente se solidifica en otro quark) en un océano de gluones (partículas subatómicas que transmiten la fuerza fuerte que une quarks juntos). Puede ser brevemente alcanzable en aceleradores de partículas, o posiblemente dentro de estrellas de neutrones.
• Para hasta 10⁻³⁵ segundos después del Big Bang, la densidad energética del universo era tan alta que las cuatro fuerzas de la naturaleza – fuertes, débiles, electromagnéticas y gravitacionales – se creen unificadas en una sola fuerza. El estado de la materia en este momento es desconocido. A medida que el universo se expandió, la temperatura y la densidad cayeron y la fuerza gravitacional se separó, un proceso llamado ruptura de la simetría.