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 атмосферном давлении и сколь угодно малой температуре. Переход в твёрдое состояние возможен только при давлении более 25 атм.

История исследований

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
Кристалл гелия с пузырьками жидкости. Бирюзовый — цвет фона

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
Фазовая диаграмма гелия-4

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
Фазовая диаграмма гелия-3

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.

Сверхтекучесть в твёрдом гелии

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

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

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

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
  1. A. J. Leggett, Can a Solid Be «Superfluid»?, Phys. Rev. Lett., 25, 1543—1546 (1970).
  2. E. Kim and M. H. W. Chan, Nature 427, 225 (2004).
  3. E. Kim and M. H. W. Chan, Science 305, 1941 (2004).
  4. «Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твёрдого гелия».
  5. «Сверхтекучесть твёрдого гелия» (недоступная ссылка).
  6. M. Tiwari, A. Datta, «Supersolid Phase in Helium-4».
  7. «Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется?»
  8. «Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию».
  9. «Новые эксперименты с твёрдым гелием не подтверждают сенсацию».
  10. Duk Y. Kim, Moses H. W. Chan. Absence of supersolidity in solid helium in porous Vycor glass. — 30.07.2012. — arXiv:1207.7050.
  11. Сафин Д. Сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия оказались ошибочными (недоступная ссылка). Компьюлента (18 октября 2012). Дата обращения: 19 октября 2012. Архивировано 19 октября 2012 года.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.