Недавно американские ученые сообщили о предположительном наблюдении сверхтекучести твердого гелия.

Рис. 1. Схематическое изображение конструкции экспериментальной установки.

Известно, что при понижении температуры ниже 2.176 К жидкий гелий ⁴He переходит в сверхтекучее состояние с нулевой вязкостью и может течь без трения, проникая даже через поры с атомными размерами. Сверхтекучесть обязана своим существованием эффекту бозе-эйнштейновской конденсации и являет нам (наряду со сверхпроводимостью) наиболее яркое проявление квантово- механических законов в макроскопическом масштабе. В природе сверхтекучесть - редкое явление. Долгое время после ее открытия в 1938 году она наблюдалась лишь в ⁴He. Только в 1972 году удалось обнаружить сверхтекучесть ³He, но при гораздо более низких температурах (атомы ³He являются фермионами и сначала должны образовать пары-бозоны). В 1995 году к сверхтекучим системам добавился газ атомов рубидия (см. заметку За что же дана Нобелевская Премия по физике за 2001 год? ), после чего сверхтекучесть открыли и в других газах - спин-поляризованном водороде, молекулярных газах спаренных фермионов (см. наши заметки Бозе-конденсация двухатомных молекул из атомов-фермионов и Фермионный конденсат).

Твердые тела долгое время оставались единственным из трех привычных нам состояний вещества, где сверхтекучесть не наблюдалась, хотя теоретически была признана возможной, поскольку при низкой температуре квантовые флуктуации приводят к образованию в твердом теле делокализованных вакансий и других дефектов, которые способствуют сверхтекучести. Идеальным кандидатом в сверхтекучее твердое тело является опять же гелий, у которого атомы легкие, а силы межатомного взаимодействия слабые. Это делает твердый гелий не похожим на другие твердые тела. В частности, даже при нулевой температуре гелий замерзает лишь при давлении около 25 бар.

В недавней работе в журнале Nature физики из университета штата Пенсильвания сообщили о регистрации фазового перехода твердого ⁴He в сверхтекучее состояние. Для эксперимента они использовали пористое Vycor стекло с хаотичной сеткой нанопор, которые под давлением 62 бар заполнялись твердым гелием ⁴He. При этом измеряли период P крутильных колебаний диска, изготовленного из такого гелийсодержащего пористого материала. Было обнаружено, что понижение температуры до T_c = 0.175 К приводит к резкому уменьшению P. Это говорит об уменьшении момента инерции диска, что свидетельствует о сверхтекучем переходе закачанного в его поры твердого гелия. Как и положено сверхтекучей системе, удельная доля конденсата уменьшается при увеличении амплитуды колебаний диска (т. е. при увеличении его средней линейной скорости), что выражается в уменьшении изменения P при сверхтекучем переходе. Величина T_c при этом не меняется. Принимая во внимание тот факт, что поперечные размеры пор близки к атомным размерам, трудно представить себе, чтобы еще что-то помимо сверхтекучей компоненты могло двигаться сквозь них без диссипации. А вот природа этого пока не вполне ясна.

Рис. 2. Температурные зависимости разности между периодом P крутильных колебаний ячейки, заполненной твердым гелием, и периодом P* колебаний пустой ячейки для различных скоростей вращения

Хотя измерения проводили под давлением, значительно превышающем предельную величину, необходимую для затвердевания гелия, нельзя полностью исключить возможность того, что вблизи стенок пор сохранился слой жидкого гелия. Но даже если это и так, свойства такого слоя существенно отличаются от свойств тонких пленок жидкого ⁴He, о чем говорят наблюдавшиеся на эксперименте очень маленькие критические скорости и большая плотность сверхтекучей компоненты.

Если это открытие подтвердится, оно станет важной вехой в исследовании тонкостей феномена сверхтекучести. Ведь наше современное понимание этого эффекта основывается на концепции трансляционной инвариантности, которая присутствует в газах и жидкостях, но отсутствует в твердых телах. Открытыми остаются вопросы о концентрации вакансий, необходимой для возникновения сверхтекучести, об объемной доле сверхтекучей компоненты, о критической скорости и др. Прослеживается также интересная связь с недавними работами по бозе-конденсации газа в периодической оптической решетке лазерных лучей, где при увеличении "решеточного потенциала" наблюдается переход из сверхтекучего в диэлектрическое состояние.

Источник информации - бюллетень ПерсТ, выпуск 03 за 2004 г.