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 г. ученик Камерлинг-Оннеса Виллем Хендрик Ке́езом (нидерл. nl:Willem Hendrik Keesom) смог получить 1 см³ твёрдого гелия, используя не только низкую температуру, но и давление.

Схема установки по получению твердого гелия (В. Х. Кеезом)

Мои опыты, которые позволили получить гелий в твердом виде, совершенно отчетливо показали, что для превращения гелия в твердое состояние требуется не только такая температура, при которой внутриатомные силы преодолевают тепловое движение настолько, чтобы атомы могли группироваться в кристаллическую решетку, 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 остается 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, причем границу между твёрдым и жидким гелием трудно обнаружить, так как их рефракции 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 — объемоцентрированная 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 г. 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 замерзнет.

Для твёрдого гелия-3 также характерен квантовый эффект кристаллизационных волн, но проявляется он при температурах <10⁻³ K.

Сверхтекучесть в твёрдом гелии

Подозрение в том, что сверхтекучестью могут обладать и твёрдые тела, высказывалось довольно давно (см., например, статью 1970 года A.J.Leggett, Can a Solid Be «Superfluid»?, Phys. Rev. Lett., 25, 1543—1546 (1970)), 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.

• Оригинальные статьи: E. Kim and M.H.W. Chan, Nature 427, 225 (2004), E. Kim and M.H.W. Chan, Science 305, 1941 (2004)
• Популярные заметки: «Экспериментальное подтверждение сверхтекучести твёрдого гелия» (интернет-журнал «Scientific.ru»), «Сверхтекучесть твёрдого гелия» (бюллетень «ПерсТ»).

Теоретические работы

В настоящее время общепринятой теории, объясняющей и описывающей сверхтекучесть в твёрдом гелии, пока нет. Тем не менее, попытки построить такую теорию делаются. (См., например, статью M.Tiwari, A.Datta, «Supersolid Phase in Helium-4»).

Критика оригинальных работ

В ряде последовавших за оригинальной работой статей указывалось, что аномальное уменьшение момента инерции образца могло иметь и иное происхождение (см., например, популярную заметку «Сверхтекучесть твердого гелия: сенсация отменяется?» и «Новые эксперименты с твердым гелием не подтверждают сенсацию»). В 2005 году были опубликованы результаты независимых экспериментов, в которых проявлений сверхтекучего компонента в твёрдом гелии замечено не было («Новые эксперименты с твёрдым гелием не подтверждают сенсацию»). 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^[1][2].

Примечания

1. ↑ Duk Y. Kim, Moses H. W. Chan Absence of supersolidity in solid helium in porous Vycor glass. — 30.07.2012. — arΧiv:1207.7050
2. ↑ Сафин Д. Сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия оказались ошибочными. Компьюлента (18 октября 2012). Проверено 19 октября 2012.

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.