Фазовая диаграмма гелия. По оси абсцисс: температура в кельвинах, по оси ординат: давление в барах. Состояния: справа белым: нормальное жидкое; внизу голубым: сверхтекучее жидкое; в центре белым: нормальное твердое; слева желтым: сверхтекучее твердое. Изображение из статьи Чаня и Кима.

Получены новые подтверждения сверхтекучести твердого гелия

Жидкий гелий - единственное известное вещество, которое не затвердевает при нормальном давлении, сколько его ни охлаждай. Однако если повысить давление до 25 бар (бар примерно равен атмосфере), то при температуре менее двух кельвинов гелий переходит в твердое состояние.

В 2004 году пенсильванские ученые Мозес Чань (Moses Chan) и Юнь Сен Ким (Eun-Seong Kim) обнаружили, что при температуре ниже 0,2 кельвина твердый гелий, как это ни парадоксально, начинает демонстрировать свойства сверхтекучести: вещество приобретает нулевую вязкость и может течь без трения. Сверхтекучесть наблюдалась ранее в жидкостях и газах, но никогда - в твердых телах, хотя предположение, что такое возможно, высказывалось. Сверхтекучий твердый гелий также часто называют "сверхтвердым телом" (supersolid), но такое название не вполне отражает его свойства.

Чань и Ким доказывали сверхтекучесть резким увеличением частоты вращения цилиндра с гелием (точнее, резким уменьшением его момента инерции), что оставляло возможность для других интерпретаций. Например, другая группа авторов не менее убедительно доказывала, что твердый гелий сверхтекучестью не обладает, а наблюдаемое изменение свойств вращения объясняется тем, что сверхтекучий жидкий гелий просачивается сквозь микротрещины в кристаллах твердого.

Чань в сотрудничестве с Си Линем (Xi Lin) и Энтони Кларком (Anthony Clark) нашел новое подтверждение гипотезе, что наблюдаемая сверхтекучесть является свойством именно твердого гелия. Если это верно, то сверхтекучесть должна наступать после фазового перехода "нормальный твердый гелий" -> "сверхтекучий твердый гелий". Фазовый переход же имеет и другие внешние признаки: например, резкое повышение теплоемкости.

Именно такое повышение и удалось зафиксировать пенсильванским ученым. Чань отмечает, что, к сожалению, скачок теплоемкости начинается при чуть-чуть более низкой температуре, чем появление сверхтекучести, поэтому доказательство нельзя считать окончательным.

Ученые надеются, что расхождение объясняется ошибкой измерения: эксперимент был очень сложен технически. Теплоемкость гелия значительно ниже теплоемкости металла, поэтому его пришлось поместить не в металлический контейнер, как обычно, а в кремниевый, и принять меры по предотвращению любых искажающих тепловых воздействий.

Ссылки по теме
- Evidence for "Supersolidity" Becomes More Solid - Science, 24.10.07

Сайты по теме
- Pennsylvania State University