Jenseits von fest, flüssig und gasförmig: Die 15 anderen Aggregatzustände, die der Realität trotzen

Erfahren Sie mehr über die anderen 15 Aggregatzustände, die sich der Realität entziehen und über fest, flüssig und gasförmig hinausgehen.

Aggregatzustände.
Die moderne Physik erforscht exotische Phasen mit erstaunlichen Eigenschaften, von Supraflüssigkeiten bis hin zu neuen Entdeckungen im Bereich magnetischer Materialien, die eine Revolution in der Technologie versprechen.

Im Unterricht wird Materie normalerweise in drei Kategorien unterteilt: fest, flüssig und gasförmig. Manchmal wird auch Plasma hinzugefügt, das in Blitzen oder der Sonne vorkommt. Aber außerhalb der Lehrbücher gibt es ein verborgenes Universum: mehr als fünfzehn Zustände der Materie, die von der modernen Physik anerkannt werden.

Chile und die Vereinigten Staaten sind Schauplatz einiger dieser jüngsten Entdeckungen. Von den in Santiago untersuchten Flüssigkristallen bis hin zu Elektronen, die sich in New York wie „Eis und Feuer” organisieren, zeigt die Materie weiterhin, dass sie nicht an die Regeln gebunden ist, die wir einst für unveränderlich hielten.

Was wir zu wissen glauben, reicht nicht aus.

In Santiago gelang es einem Team der Universität von Chile (U. de Chile) und des Millennium Institute of Optics, durch Manipulation von Flüssigkristallen mit Spannung und Licht einen neuen Zustand zu induzieren.

„Die Möglichkeiten sind enorm; wir stehen am Anfang von etwas, das völlig anders sein könnte.“ Marcel Clerc, Forscher an der Universität von Chile.

Auf der anderen Seite des Kontinents, im Brookhaven National Laboratory, haben Forscher eine Phase identifiziert, die als „halb Eis, halb Feuer“ bezeichnet wird.

Sie werden als Elektronen erklärt, die sich teilweise geordnet verhalten, als wären sie eingefroren, und teilweise völlig ungeordnet, als würden sie in Flammen brennen.

Laut dem Physiker Weiguo Yin könnte das Verständnis dieses Phänomens „zu bedeutenden Durchbrüchen in Technologien wie Quantencomputern und Spintronik führen“.

Ein Katalog, der ständig wächst

Die Physik der kondensierten Materie hat mindestens 18 verschiedene Zustände identifiziert. Hier ist eine Auswahl der relevantesten und interessantesten, einfach erklärt:

  • Bose-Einstein-Kondensat: Atome bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, die als ein einziges „Superatom“ agieren.
  • Fermi-Kondensat: Ähnlich wie Bose-Einstein, jedoch mit Teilchen, die als Fermionen bezeichnet werden.
  • Suprafluid: Flüssigkeiten, die ohne Reibung fließen und an den Wänden eines Behälters hochsteigen können.
  • Supraleiter: Materialien, die Elektrizität ohne Widerstand leiten.
  • Flüssigkristalle: Werden in Displays verwendet und weisen Eigenschaften auf, die zwischen denen von Flüssigkeiten und Feststoffen liegen.
  • Zeittkristalle: Strukturen, deren Muster sich nicht nur räumlich, sondern auch zeitlich wiederholen.
  • Quark-Gluon-Plasma: Eine Suppe aus Elementarteilchen, ähnlich wie im frühen Universum nach dem Urknall.
  • Elektronen-entartete Materie: Kommt in Weißen Zwergen vor, wo Elektronen durch die Schwerkraft komprimiert werden.
  • Neutronen-entartete Materie: Kommt in Neutronensternen vor und hat eine unvorstellbare Dichte.
  • Exzitonen-Kondensat: Hier verbinden sich Elektronen und Löcher (Abwesenheit von Elektronen) und fließen ohne Widerstand.
  • Topologische Phasen: Materialien mit besonderer Oberflächenleitfähigkeit, die Grundlage potenzieller Quantencomputer.

Jedes hat extreme Existenzbedingungen, aber zusammen zeigen sie, dass Materie nicht in eine kurze Liste passt.

Warum ist das alles wichtig?

Es mag wie ein Katalog von Labor-Kuriositäten aussehen, aber seine Relevanz geht weit darüber hinaus.

Supraleiter ermöglichen uns die Vorstellung von Stromnetzen ohne Energieverluste, Flüssigkristalle sind die Grundlage moderner Fernseher und Bildschirme, und Phänomene wie Eis und Feuer könnten den Weg für die Speicherung von Informationen auf Quantenebene ebnen.

Institutionen wie die UNESCO warnen in ihrem Bericht für 2021, dass angesichts wachsender Krisen – Klimawandel, globale Gesundheit, Biodiversität – Investitionen in die Wissenschaft, einschließlich der Grundlagenforschung, dringender denn je sind.

Was heute noch wie eine abstrakte Entdeckung erscheint, könnte morgen schon Teil alltäglicher Geräte sein und zu Systemen beitragen, die die Gesundheit von Menschen, Tieren und der Umwelt im Einklang mit dem von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) geförderten „One Health“-Ansatz integrieren.

Ein Glas Wasser, ein Stück Eis oder eine Dampfwolke scheinen die Materie, die wir kennen, zusammenzufassen. Aber jenseits des Sichtbaren existieren unerwartete Welten: Zeitkristalle, Supraflüssigkeiten, Elektronen zwischen Eis und Feuer. Jeder neu entdeckte Zustand erinnert uns daran, dass das Alltagsleben nur die Oberfläche ist; die Materie verbirgt weiterhin Geheimnisse, die nach und nach unser tägliches Leben berühren.

Quellenhinweis:

Clerc, M.G., Kowalczyk, M. & Zambra, V. (2020).Topological transitions in an oscillatory driven liquid crystal cell. Topological transitions in an oscillatory driven liquid crystal cell. Scientific Reports.

Universidad de Chile. (2020). Investigadores de la FCFM proponen un nuevo estado de la materia. Publicado en Noticias U. de Chile.

Weiguo Yin et al. (2024). Phase Switch Driven by the Hidden Half-Ice, Half-Fire State in a Ferrimagnet, Physical Review Letters.

Laura Mgrdichian-West. (2024). 'Half ice, half fire': Physicists discover new phase of matter in a magnetic material. Nota publicada en PHYS.ORG.

UNESCO. (2021). UNESCO report calls for substantial increases in investment in science in the face of growing crises. Publicado en el sitio web de la Institución.