Твёрдый гелий
Твёрдый гелий — состояние гелия при температуре, близкой к абсолютному нулю и давлении, значительно превышающем атмосферное. Гелий — единственный элемент, который не затвердевает, оставаясь в жидком состоянии, при нормальном атмосферном давлении и сколь угодно малой температуре. Переход в твёрдое состояние возможен только при давлении более 25 атм.
История исследований
[править | править код]После того, как в 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес сумел добиться конденсации гелия, он попытался получить твёрдый гелий. Откачкой паров ему удалось достичь λ-точки (1,4 К). За последующие десять лет исследований удалось опуститься до 0,8 К, но гелий оставался жидким. И только в 1926 году ученик Камерлинг-Оннеса Виллем Хендрик Ке́езом смог получить 1 см³ твёрдого гелия, используя не только низкую температуру, но и повышенное давление.
Мои опыты, которые позволили получить гелий в твёрдом виде, совершенно отчётливо показали, что для превращения гелия в твёрдое состояние требуется не только такая температура, при которой внутриатомные силы преодолевают тепловое движение настолько, чтобы атомы могли группироваться в кристаллическую решётку, но требуется, кроме того, и воздействие внешнего давления, которое должно быть достаточно высоким для того, чтобы привести в действие внутриатомные силы. Без применения такого давления гелий остаётся жидким даже при самих низких из достигнутых температур, хотя при некоторой температуре он может внезапно переходить в новое жидкое агрегатное состояние.
— Из лекции, прочитанной перед V Международным конгрессом по холодильному делу в Риме 13 апреля 1928 г., Nature, 123, 847, 1928
Физические свойства
[править | править код]
Физические свойства гелия:
| Свойство | 4He | 3He |
|---|---|---|
| Молярный объём, см³/моль (ОЦК) | 21,1 (1,6 К) | 24 (0,65 К) |
| Минимальное давление образования (кристаллизации), атм | 25 | 29 (0,3 K) |
| Плотность твёрдого гелия, г/см³ | 0,187 (0 К, 25 атм) | |
| Плотность жидкого гелия, г/см³ (0 К) | 0,145 | 0,08235 |
Твёрдый гелий — кристаллическое прозрачное вещество, причём границу между твёрдым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их показатели преломления близки. Плотность твёрдого гелия очень мала, она составляет 0,187 г/см³ (менее 20 % от плотности льда при −273 °C). Для образования твёрдого 3He необходимо ещё более высокое давление (29 атм) и ещё более низкая температура (0,3 К). Плотность его ещё ниже.
Свойства гелия-4
[править | править код]
Для твёрдого гелия-4 характерен такой квантовый эффект, как кристаллизационные волны. Этот эффект состоит в слабо затухающих колебаниях границы раздела фаз «квантовый кристалл — сверхтекучая жидкость». Колебания возникают при незначительном механическом воздействии на систему «кристалл — жидкость». Достаточно при температуре <0,5 К слегка качнуть прибор, как граница между кристаллом и жидкостью начинает колебаться так, как будто это граница между двумя жидкостями.
Энтропия и энтальпия плавления 4He при температурах <1 К обращаются в 0.
Для 4He основная сингония — гексагональная (ГПУ). На фазовой диаграмме видна небольшая область, где 4He переходит в кубическую сингонию (ОЦК). При относительно больших давлениях (1000 атм) и температуре ~15 К появляется новая кубическая фаза ГЦК.
На рисунке обозначения фаз:
- hcp — гексагональная плотная упаковка (ГПУ);
- fcc — гранецентрированная кубическая (ГЦК);
- bcc — объёмноцентрированная кубическая (ОЦК).
Свойства гелия-3
[править | править код]
При давлениях <100 атм 3He кристаллизуется в кубической сингонии (ОЦК). Выше ~100 атм твёрдый 3He переходит в фазу с гексагональной симметрией (ГПУ). Так же как и 4He, 3He при давлениях >1000 атм и ~15 К переходит в кубическую фазу (ГЦК).
Ниже 0,3 К термодинамические свойства жидкого и твёрдого гелия-3 необычны в том отношении, что при адиабатическом сжатии жидкий гелий охлаждается, причем с увеличением сжатия охлаждение продолжается, пока жидкая фаза не превратится в твёрдую. Это объясняется значительным вкладом ядерного магнетизма гелия-3 в его энтальпию. Эффект получил название компрессионное охлаждение гелия-3. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан И. Я. Померанчуком в 1950 году и экспериментально подтвержден У. М. Фейрбенком и Г. К. Уолтерсом (1957), Ю. Д. Ануфриевым (1965). С тех пор охлаждение методом адиабатического сжатия применяется во многих лабораториях. Такой метод позволяет, начиная с низких температур, поддерживаемых криостатом растворения, получать температуры ниже 0,003 К, достаточно низкие для проведения экспериментов со сверхтекучим гелием.
Кривая плавления 3He при Т < 0,3 К имеет отрицательную производную. Вследствие этого для гелия-3 наблюдается необычный физический эффект. Если жидкий гелий-3, который находится при температуре <0,01 К и давлении 30—33 атм, нагревать, то при ~0,3—0,6 К жидкость замёрзнет.
Для твёрдого гелия-3 также характерен квантовый эффект кристаллизационных волн, но проявляется он при температурах <10−3 K.
Вращение сосуда с жидким гелием
Ввиду того, что из-за квантовых эффектов энергия для жидкого гелия может принимать только дискретные значения, обычное вращение для неквантовой жидкости при комнатной температуре (например, в чашке чая), которое можно наблюдать, размешивая его ложкой, для жидкого гелия невозможно -- вместо этого при вращении сосуда движение потоков в нём распадается на упорядоченную сетку вихрей (аналогичных вихрям Абрикосова в сверхпроводниках второго рода). Благодаря этому эффекту становится возможно устанавливать факт перехода в сверхтекучее состояние для всех сверхтекучих жидкостей, таких как облаков конденсата Бозе-Эйнштейна из сверхохлажденных атомов (например, приводя его во вращение боковым пучком лазерного излучения и наблюдая на прямой просвет появление сетки вихрей, описанной выше).
Сверхтекучесть в твёрдом гелии
[править | править код]Подозрение о том, что сверхтекучестью могут обладать и твёрдые тела, высказывалось довольно давно[1], однако долгое время никаких экспериментальных указаний на такое явление не было.
Экспериментальные работы
[править | править код]В 2004 году было объявлено об открытии сверхтекучести в твёрдом гелии. Это заявление было сделано на основании эффекта неожиданного уменьшения момента инерции крутильного маятника с твёрдым гелием. Последующие исследования показали, однако, что ситуация далеко не столь проста, и потому говорить об экспериментальном обнаружении этого явления пока преждевременно[2][3][4][5].
Теоретические работы
[править | править код]В настоящее время общепринятой теории, объясняющей и описывающей сверхтекучесть в твёрдом гелии, пока нет. Тем не менее, попытки построить такую теорию делаются[6].
Критика оригинальных работ
[править | править код]В ряде последовавших за оригинальной работой статей указывалось, что аномальное уменьшение момента инерции образца могло иметь и иное происхождение[7][8]. В 2005 году были опубликованы результаты независимых экспериментов, в которых проявлений сверхтекучего компонента в твёрдом гелии замечено не было[9]. В 2012 году в работе, одним из авторов которой является автор первоначальной публикации Мозес Чан, было показано, что интерпретация обнаруженного эффекта как перехода твёрдого гелия в сверхтекучее состояние была ошибочной[10][11].
Примечания
[править | править код]- ↑ A. J. Leggett, Can a Solid Be «Superfluid»?, Phys. Rev. Lett., 25, 1543—1546 (1970).
- ↑ E. Kim and M. H. W. Chan, Nature 427, 225 (2004).
- ↑ E. Kim and M. H. W. Chan, Science 305, 1941 (2004).
- ↑ «Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твёрдого гелия» Архивная копия от 4 января 2005 на Wayback Machine.
- ↑ «Сверхтекучесть твёрдого гелия» (недоступная ссылка).
- ↑ M. Tiwari, A. Datta, «Supersolid Phase in Helium-4» Архивная копия от 8 марта 2022 на Wayback Machine.
- ↑ «Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется?» Дата обращения: 18 июля 2005. Архивировано 30 октября 2008 года.
- ↑ «Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию» Архивная копия от 5 ноября 2007 на Wayback Machine.
- ↑ «Новые эксперименты с твёрдым гелием не подтверждают сенсацию» Архивная копия от 5 ноября 2007 на Wayback Machine.
- ↑ Duk Y. Kim, Moses H. W. Chan. Absence of supersolidity in solid helium in porous Vycor glass. — 30.07.2012. — arXiv:1207.7050. Архивировано 10 мая 2017 года.
- ↑ Сафин Д. Сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия оказались ошибочными. Компьюлента (18 октября 2012). Дата обращения: 19 октября 2012. Архивировано из оригинала 19 октября 2012 года.