ТВЕРДАЯ СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ

Твердый гелий может вести себя как сверхтекучая жидкость.

Одна часть твердого гелия, подвешенного во вращающемся кольцевом контейнере, колеблется вместе с контейнером, а другая остается неподвижной.

Как известно, твердые тела сохраняют свою форму, а жидкости растекаются, принимая форму сосуда. Сверхтекучие жидкости представляют собой квинтэссенцию жидкого состояния: они способны без малейшего сопротивления протекать сквозь тончайшие каналы и даже «взбираться» по стенкам сосуда, чтобы вытечь из него.

Словосочетание «сверхтекучее твердое тело» звучит как нонсенс, но оно точно отражает суть явления, обнаруженного недавно исследователями из Пенсильванского университета. Физики Мозес Чан (Moses Chan) и Юн Сён Ким (Eun-Seong Kim) изучали поведение гелия-4, сжатого до твердого состояния и охлажденного почти до абсолютного нуля. Хотя возможность существования сверхтекучего твердого гелия была теоретически предсказана еще в 1969 г., после его практической демонстрации ученые сильно призадумались.

Особые свойства сверхтекучих жидкостей наглядно проявляются при их вращении. Если медленно вращать чашку с обычным жидким гелием, а затем охладить его примерно до 2 К, часть гелия станет сверхтекучей и перестанет вращаться. В результате вращающий момент, необходимый для раскручивания сосуда, станет меньше. Иными словами, уменьшится момент инерции гелия.

Чан и Ким обнаружили подобное уменьшение момента инерции кольца из твердого гелия. Чтобы зафиксировать атомы в положениях, образующих кристаллическую решетку, исследователи сжали жидкий гелий под давлением 26 атм. (около 2,5 МПа) и пронаблюдали его вращательные колебания в контейнере, закрепленном на конце металлического стержня. Чем меньше момент инерции системы, тем меньше период колебаний. К своему изумлению, ученые обнаружили, что примерно 1% гелиевого кольца оставался неподвижным, тогда как остальные 99% продолжали совершать вращательные колебания. Таким образом, одна часть твердого гелия беспрепятственно двигалась относительно другой.

Как же может твердое вещество вести себя подобно сверхтекучей жидкости? Сверхтекучесть жидкостей обусловливается квантовым процессом конденсации Бозе–Эйнштейна, в результате которого множество частиц принимают одно и то же квантовое состояние. Результат, полученный Чаном и Кимом, означает, что 1% атомов твердого гелия каким-то образом образовали конденсат Бозе–Эйнштейна, оставаясь в узлах кристаллической решетки. Столь противоречивый вывод можно объяс-нить обменом атомов между узлами кристаллической решетки, которому способствуют свойства гелия, а именно большая энергия нулевых колебаний атомов, т. е. минимальная энергия колебаний, определяемая принципом неопределенности. (Именно из-за большого значения энергии этих колебаний гелий обычно пребывает в жидком или газообразном состоянии: атомы колеблются слишком сильно и поэтому не могут образовать кристаллическую решетку.) Предположение о конденсации Бозе–Эйнштейна подкрепляется тем, что Чан и Ким не обнаружили сверхтекучести в твердом состоянии у гелия- 3, который становится сверхтекучей жидкостью при гораздо более низких температурах, чем гелий-4.

Согласно другой версии, конденсат Бозе–Эйнштейна образуют вакансии и другие дефекты решетки, в изобилии появляющиеся в кристалле твердого гелия вследствие нулевых колебаний атомов.

Так или иначе, сверхтекучесть должна зависеть от давления, однако Чан и Ким наблюдали один и тот же эффект при давлении от 26 до 66 атм. Дуглас Ошерофф (Douglas Osheroff) из Стэнфордского университета, один из открывателей сверхтекучести жидкого гелия-3, считает, что отсут-ствие зависимости сверхтекучести твердого гелия от давления более чем загадочно. Ученый отметил, что Чан и Ким добросовестно пытались выявить все возможные артефакты эксперимента, но ничего не обнаружили. Теперь теоретики ломают голову над тем, как твердое вещество переходит в сверхтекучее состояние.

Оригинал - www.sciam.ru