Жидкая твёрдость

"Сверхтвердотельную" форму вещества с уникальными свойствами, существование которой предсказывали ещё 30 лет назад, получили физики из США.

Учёные Пенсильванского университета заявляют о возможном открытии принципиально нового агрегатного состояния материи - сверххолодной "сверхтвердотельной" формы гелия-4. В статье, опубликованной на страницах журнала Nature 15 января текущего года, Мозес Чань и его аспирант Юн Сён Ким описывают свойства нового вида материи.

Полученное "сверхтвердотельное" вещество является твёрдым в том отношении, что составляющие его атомы гелия-4 образуют кристаллическую решётку, вполне аналогично тому, как это происходит у атомов и молекул обычных твёрдых тел (льда, например). Однако вследствие того, что гелий охлаждён до очень низкой температуры (менее 0,1 Кельвина), характер поведения частиц кристалла подчиняется законам уже не классической, а квантовой механики.

В квантовой механике считается, что частица не может одновременно быть локализована (находиться в ограниченном объеме пространства) и при этом пребывать в состоянии полного покоя. Если частица локализована, значит, она обязана колебаться в определённом диапазоне, причём данный процесс продолжается, даже если убрать всякое тепловое движение (охладить образец до абсолютного нуля). Описанное явление носит название квантовых нулевых колебаний частицы.

При определённых условиях (уровне температуры, давления) частицы вещества могут приходить в одинаковое квантовое состояние, образуя конденсат Бозе-Эйнштейна. Оно характеризуется тем, что отдельные частицы могут непрерывно перемещаться в толще вещества без какого-либо взаимного трения, поскольку их движение "когерентно" (т.е. взаимосогласовано). До последнего времени такое "сверхсостояние" было экспериментально получено только для жидкостей и газов. Настоящая же работа впервые подтверждает возможность данного эффекта и в отношении кристаллических тел.

Схема эксперимента американских учёных была следующей. Газообразный гелий-4 с помощью специальной установки под давлением нагнетался в пористый стеклянный диск (диаметр пор эквивалентен размеру атомов). Система постепенно охлаждалась до сверхнизкой температуры (всего примерно на 0,175 градусов выше абсолютного нуля). Диск был заключён в прочную металлическую капсулу, и давление газа увеличивалось, пока гелий не перешёл в твёрдое агрегатное состояние (приблизительно при 40 атмосферах). В конечном итоге давление было повышено до 62 атмосфер. Экспериментальная капсула вращалась в различных плоскостях на специальном устройстве, которое позволяло точно регистрировать усилия, необходимые, для того чтобы привести её в движение.

Когда температура системы достигла отметки около 0,1 Кельвина, вращение вдруг стало свободнее. "Такое впечатление, - говорит Чань, - что часть гелия вдруг исчезла из стеклянной пластины". Однако этого не происходило, поскольку, во-первых, защитная капсула являлась герметичной и достаточно прочной, а во-вторых, после того как температура системы поднималась выше указанной отметки, вращать диск опять становилось "труднее". Исследователи сделали вывод, что при указанной температуре и давлении кристаллический гелий "отстаёт" от стенок пор и приобретает свойство сверхтекучести.

Открытие сверхжидкостей относится ещё к 30-ым годам прошлого века, когда гелий-4 был впервые охлаждён до очень низкой температуры и стал течь без сопротивления. Гораздо позже почти случайно было обнаружено, что гелий-3 тоже может стать сверхжидкостью, однако при гораздо более низкой температуре. В отличие от воды или более густых жидкостей (жидкого мёда, например), которые будут вовлекаться в движение при вращении ёмкости, в которой находятся, сверхжидкости при этом будут полностью неподвижны. Наоборот, если такую жидкость размешать, то теоретически её вращение будет длиться неограниченно долго.

Несмотря на тщательность проведения эксперимента, Чань и Ким пока не осмеливаются категорически утверждать о достоверности открытия нового агрегатного состояния материи. В частности, некоторые исследователи допускают, что сопротивление вращению экспериментального диска могло быть следствием сверхтекучих свойств не твёрдого гелия-4, а соответствующей сверхжидкости, образовавшейся на стенках пор. Однако авторы работы утверждают, что это маловероятно. Кроме того, учёные поставили аналогичный эксперимент, но вместо гелия-4 использовали другой изотоп - гелий-3, который теоретически не способен образовать сверхтвёрдого тела. И действительно, при этом никаких "облегчений" вращения экспериментального диска не наблюдалось. Сейчас эксперимент американских физиков пытаются воссоздать в нескольких ведущих лабораториях мира. А Чань с коллегами в ближайшее время намерены приступить к дальнейшему изучению полученной субстанции, в частности, её термодинамических, акустических и других свойств.

На текущий момент учёные не могут назвать каких-либо конкретных способов практического применения "сверхтвердотельных" веществ. Однако, как отметил Джон Бимиш, профессор из Университета провинции Альберта (Канада), открытие нового агрегатного состояния материи, если оно действительно подтвердится, является весьма значимым достижением. "Оно, наконец, сможет разрешить некоторые важные вопросы относительно природы сверхтвердого гелия, над которыми уже длительное время ломают голову как физики-теоретики, так и экспериментаторы".