當向試管中投入一小粒金屬鉀後，這顆金屬鈉會劇烈地移動——熔化，嘶嘶作響，甚至跳躍，變成氫氣泡和氫氧化鉀。科學家證實，在適當的壓力和溫度下，這種金屬可以同時保持固體和液體狀態。“這有點奇怪，”該研究的合作者、愛丁堡大學的Andreas Hermann說。
攝影：TURTLE ROCK SCIENTIFIC/SCIENCE SOURCE
固體、液體、氣體……其它狀態？雖然大多數人小學時只知道物質的三種狀態，但物理學家已經發現了幾種可在極端的溫度和壓力條件下存在的奇異物質狀態。
最近，一個研究團隊使用一種人工智能證實了一種新物質狀態的存在。在這種狀態下，鉀原子同時表現出固態和液態的特性。如果你能找到一大塊這類物質，它可能看起來就像一個滲漏熔融鉀的固體塊，最終全部溶解。
“這就像是拿著一塊滴水的海綿，而海綿也是水做的，”研究合作者、愛丁堡大學的凝聚態物理者Andreas Hermann說，其研究團隊在本週的《美國國家科學院院刊》上介紹了新研究。
在地幔的天然條件下，可能會存在這種異常狀態的鉀，但這種元素通常不是以單質形式存在，而是與其他物質結合在一起。類似的模擬研究可以幫助科學家探索其他礦物質在這種極端環境下的行為特徵。
滲漏的晶體
在微觀層面，像鉀這樣的金屬，其原子排列特徵顯而易見。當被打造成一根固體棒時，鉀原子會排列成排，很容易導熱和導電。很長一段時間以來，研究人員認為他們可以很輕易地預測這些晶體結構在巨大壓力下會發生什麼變化。
不過，大約15年前，科學家們發現鈉（一種與鉀性質相似的金屬）在被壓縮時出現了一些奇怪的變化。在兩萬個地球表面氣壓下，鈉從銀白色的固體變成了一種透明的物質，這種物質不僅不導電，反而會阻止電流流動。科學家通過x射線探測鈉後發現，其原子組成了複雜的晶體結構，而不是單一的晶體結構。
科學家對鉀也進行了大量實驗研究。在類似的極限壓力下，鉀的原子會排列成一種複雜的形態——5個柱形管構成的X形，其中4條長鏈位於X形的彎曲部分，看起來就像兩個獨立的、互不交織的物質。
“不知道什麼原因，這些鉀原子組合成了兩個結構鬆散的亞晶格，”Hermann說。不過，當科學家提高溫度後，x射線像顯示四個鏈消失了，研究人員對究竟是怎麼回事進行了爭論。
為了尋找答案，Hermann和同事們使用了一種被稱為神經網絡的人工智能來進行模擬。神經網絡是一種人工智能機器，能夠根據先前的例子來學習如何預測行為。研究者使用少量鉀原子對神經網絡進行模擬訓練後，神經網絡深入掌握了量子力學，足以模擬包含上萬個鉀原子集合的行為特徵。
計算機模型證實，在大約20000-40000倍大氣壓和127℃-527℃的溫度下，鉀進入了所謂的鏈融態。在這種狀態下，鉀中的鏈溶解成液體，而剩餘的鉀晶體則保持固態。
這是科學家首次證明任何元素在這種狀態下都能保持熱力學穩定性。
該研究團隊開發的機器學習技術可能有助於模擬其他物質的行為，Marius Millot說，他在勞倫斯利弗莫爾國家實驗室設置的極端條件下研究材料。
“宇宙中的大部分物質都處於高壓和高溫下，比如行星和恆星的內部，”他補充道。
奇異狀態
現在科學家已經確定了鉀的“鏈熔融相”，除了已知的氣體、液體和固體等常見物質狀態之外，還有以下幾種其他不尋常物質狀態：
等離子體：一種過熱的氣體，氣體的原子核與電子分離，這意味著它們可以產生電場和磁場，並受到電場和磁場的影響。
玻色-愛因斯坦凝聚態：只有在接近絕對零度時才會形成，這種物質中的所有原子會像單個粒子一樣活動。
超導體：當某些金屬被冷卻到低溫時，電流可以毫無阻力在其中穿過。
超流體：一種液體冷卻到接近絕對零度時，可以自由流動，完全沒有摩擦力，甚至可以沿著容器的側面向上流動，然後滴到外面。
簡併態物質：這種物質只發現於白矮星和中子星的極高壓下，白矮星和中子星是兩種死亡恆星。
夸克-膠子等離子體：質子和中子溶解成其組成成分夸克的一種狀態，夸克可以在攜帶強作用力的膠子之間自由運動。
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