Lista de estados de la materia

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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 . En temperaturas y presiones comunes, los átomos forman los tres estados clásicos de la materia: sólido , líquido y gas . Las moléculas complejas también pueden formar varias mesofases como los cristales líquidos , que son intermedios entre las fases líquida y sólida. A altas temperaturas o campos electromagnéticos fuertes, los átomos se ionizan, formando plasma .

A bajas temperaturas, los electrones de los materiales sólidos también pueden organizarse en diversas 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 electrónicos y nucleares se organizan en diferentes patrones. Dichos estados de la materia se estudian en la física de la materia condensada .

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

En el siglo XX, la mayor comprensión de las propiedades de la materia dio lugar a la identificación de numerosos estados de la materia. Esta lista incluye algunos ejemplos notables.

• Sólido : Un sólido tiene una forma y un volumen definidos sin necesidad de un recipiente. Las partículas se mantienen muy cerca unas de otras.
  • Sólido amorfo : Un sólido en el que no existe un orden de largo alcance en las posiciones de los átomos.
  • Sólido cristalino : Un sólido en el que los átomos, moléculas o iones están empaquetados en orden regular.
  • Cuasicristal : Un sólido en el que las posiciones de los átomos tienen un orden de largo alcance, pero no sigue un patrón repetitivo.
  • En la teoría de Landau, las distintas fases estructurales de los materiales polimórficos se consideran diferentes estados de la materia . Para ver un ejemplo, véase Hielo § Fases .
• Líquido : fluido en su mayor parte incompresible. Capaz de adaptarse a la forma del recipiente que lo contiene, pero que conserva un volumen (casi) constante independientemente de la presión.
• Gas : Un fluido compresible. Un gas no solo adopta la forma del recipiente que lo contiene, sino que también se expande para llenarlo.
• Estados mesomórficos : Estados de la materia intermedios entre el sólido y el líquido.
  • Cristal plástico : Un sólido molecular con un orden posicional de largo alcance pero con moléculas constituyentes que conservan la libertad de rotación.
  • Cristal líquido : propiedades intermedias entre los líquidos y los cristales. Generalmente, puede fluir como un líquido pero exhibe un orden orientativo de largo alcance.
• Fluido supercrítico : fluido con propiedades intermedias entre los líquidos y los gases. A temperaturas y presiones suficientemente altas, la distinción entre líquido y gas desaparece, dando lugar a fluidos supercríticos.
• Plasma : A diferencia de los gases, que están compuestos de átomos neutros, el plasma contiene una cantidad significativa de electrones libres y átomos ionizados. Puede autogenerar campos magnéticos y corrientes eléctricas y responde de forma intensa y colectiva a las fuerzas electromagnéticas . ^[1]

• Condensado de Bose-Einstein : fase en la que una gran cantidad de bosones habitan el mismo estado cuántico , convirtiéndose en una única onda/partícula. Se trata de una fase de baja energía que solo se puede formar en condiciones de laboratorio y a temperaturas muy bajas. Debe estar cerca del cero absoluto . Satyendra Nath Bose y Albert Einstein predijeron la existencia de dicho estado en la década de 1920, pero no fue observado hasta 1995 por Eric Cornell y Carl Wieman .
• Condensado fermiónico : similar al condensado de Bose-Einstein pero compuesto de fermiones , también conocido como condensado de Fermi-Dirac. El principio de exclusión de Pauli impide que los fermiones entren en el mismo estado cuántico, pero un par de fermiones puede estar ligado entre sí y comportarse como un bosón, y dos o más de estos pares pueden ocupar estados cuánticos de un momento total dado sin restricción.
• Superconductor : Material producido a partir de un fenómeno de resistencia eléctrica exactamente nulay expulsión de campos magnéticos que se produce en ciertas sustancias cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica característica. La superconductividad es el estado fundamental de muchos metales elementales. Los superconductores se presentan en múltiples variedades:
  • Superconductor convencional : un superconductor descrito por la teoría BCS con un parámetro de orden singlete.
  • Superconductor no convencional : superconductor que rompe simetrías adicionales. Por ejemplo, un superconductor de onda d o triplete, o un superconductor Fulde–Ferrell–Larkin–Ovchinnikov .
  • Superconductor ferromagnético : Materiales que muestran coexistencia intrínseca de ferromagnetismo y superconductividad.
  • Superconductor de carga 4e : un estado propuesto en el que los electrones no están unidos como pares de Cooper, sino como cuatrillizos de electrones.
• Superfluido : Fase que se alcanza con unos pocos líquidos criogénicos a temperaturas extremas, a las que pueden fluir sin fricción . Un superfluido puede fluir por el costado de un recipiente abierto y por el exterior. Si se coloca un superfluido en un recipiente giratorio, se producirán vórtices cuantificados .
• Supersólido : similar a un superfluido, un supersólido puede moverse sin fricción pero conserva una forma rígida.

• Ferromagnetismo : Estado de la materia con magnetización espontánea.
• Antiferromagnetismo : Estado de la materia en el que los espines vecinos son antiparalelos entre sí y no hay magnetización neta.
• Ferrimagnetismo : Estado en el que los momentos locales se cancelan parcialmente.
• Altermagnetismo : Un estado con magnetización neta cero y bandas electrónicas con división de espín.
• Onda de densidad de espín : Un estado ordenado en el que la densidad de espín se modula periódicamente.
• Helimagnetismo : Un estado con orden magnético que rota espacialmente.
• Vidrio giratorio : Un estado magnético caracterizado por su aleatoriedad.
• Líquido de espín cuántico : Estado desordenado en un sistema de espines cuánticos en interacción que preserva su desorden a temperaturas muy bajas, a diferencia de otros estados desordenados.

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

• Estado Hall cuántico : Un estado topológico de la materia con resistencia Hall cuantificada.
  • Estado Hall cuántico fraccionario : estado con cuasipartículas cargadas fraccionariamente. La resistencia Hall se cuantifica en múltiplos fraccionarios de la resistencia cuántica.
  • Estado Hall de espín cuántico : fase teórica que puede abrir el camino al desarrollo de dispositivos electrónicos que disipen menos energía y generen menos calor. Se trata de un derivado del estado Hall cuántico de la materia.
  • Estado Hall anómalo cuántico : Estado que tiene una resistencia Hall cuantificada incluso en ausencia de campo magnético externo.
• Aislante topológico : material cuyo interior se comporta como un aislante eléctrico mientras que su superficie se comporta como un conductor eléctrico.
• Aislante de Chern fraccional : una generalización del estado Hall cuántico fraccional a los electrones en una red.
• Estado de Berezinskii-Kosterlitz-Thouless : un estado 2D con pares vórtice-antivórtice no ligados.
• Líquido en red de cuerdas : los átomos en este estado tienen disposiciones inestables, como un líquido, pero aún son consistentes en el patrón general, como un sólido.
• Semimetales topológicos: ^[2]
  • Semimetal de Weyl
  • Semimetal de Dirac
• Superconductor topológico ^[3]

Los estados metálicos y aislantes de los materiales pueden considerarse como diferentes fases cuánticas de la materia conectadas por una transición metal-aislante . Los materiales pueden clasificarse por la estructura de su superficie de Fermi y la conductividad de CC a temperatura cero de la siguiente manera: ^[4]

• Metal :
  • Líquido de Fermi : un metal con estados de cuasipartículas bien definidos en la superficie de Fermi.
  • Líquido no Fermi : Varios estados metálicos con propiedades no convencionales.
• Aislante
  • Aislante de banda : Un material que es aislante debido a una brecha de banda en su espectro electrónico.
  • Aislante Mott : Material que es aislante debido a las interacciones entre electrones.
  • Aislante de Anderson : Material que es aislante debido a los efectos de interferencia inducidos por el desorden.
  • Aisladores de transferencia de carga

• Cristales de tiempo : Un estado de la materia en el que un objeto puede tener movimiento incluso en su estado de energía más bajo.
• Estados ocultos de la materia : Fases que son inalcanzables o no existen en el equilibrio térmico, pero que pueden inducirse, por ejemplo, mediante fotoexcitación .
• Separación de microfases : Unidades constituyentes que forman diversas fases manteniéndose al mismo tiempo unidas.
• Estado fundido en cadena : Los metales, como el potasio, a alta temperatura y presión, presentan propiedades tanto de sólido como de líquido.
• Cristal de Wigner : una fase cristalina de electrones de baja densidad.
• Estado hexático , estado de la materia que se encuentra entre las fases sólida y líquida isótropa en sistemas bidimensionales de partículas.
• Ferroicos

• Estado ferroelástico , fenómeno en el cual un material puede presentar una deformación espontánea.

• Molécula de fotón : Fotones que están conectados entre sí, atraídos por la masa aparente mientras median la transferencia de energía.

• Materia degenerada : Materia sometida a muy alta presión, apoyada por el principio de exclusión de Pauli .
  • Materia degenerada por electrones : se encuentra en el interior de las estrellas enanas blancas . Los electrones permanecen unidos a los átomos, pero pueden transferirse a átomos adyacentes.
  • Materia degenerada por neutrones : se encuentra en las estrellas de neutrones . La enorme presión gravitacional comprime los átomos con tanta fuerza que los electrones se ven obligados a combinarse con los protones mediante la desintegración beta inversa , lo que da lugar a una conglomeración superdensa de neutrones. ( Los neutrones normalmente libres fuera de un núcleo atómico se desintegran con una vida media de poco menos de quince minutos, pero en una estrella de neutrones, como en el núcleo de un átomo, otros efectos estabilizan los neutrones).
  • Materia extraña : Un tipo de materia de quarks que puede existir dentro de algunas estrellas de neutrones cerca del límite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff (aproximadamente 2-3 masas solares ). Puede ser estable en estados de energía más bajos una vez formada.
• Materia de quarks : Fases hipotéticas de la materia cuyos grados de libertad incluyen quarks y gluones.
  • Condensado de vidrio coloreado
  • Superconductividad del color
  • Plasma de quarks y gluones : fase en la que los quarks se liberan y pueden moverse de forma independiente (en lugar de estar unidos perpetuamente en partículas o unidos entre sí en un bloqueo cuántico donde ejercer fuerza agrega energía y finalmente se solidifica en otro quark) en un océano de gluones (partículas subatómicas que transmiten la fuerza fuerte que une a los quarks). Puede alcanzarse brevemente en aceleradores de partículas o posiblemente dentro de estrellas de neutrones .
• Durante los 10 ⁻³⁵ segundos posteriores al Big Bang , la densidad energética del universo era tan alta que se cree que las cuatro fuerzas de la naturaleza ( fuerza fuerte , fuerza débil , fuerza electromagnética y fuerza gravitacional ) se unificaron en una sola fuerza. Se desconoce el estado de la materia en ese momento. A medida que el universo se expandía, la temperatura y la densidad cayeron y la fuerza gravitacional se separó, un proceso llamado ruptura de la simetría .