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 нормальном 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

Физические свойства гелия:

Свойство	4 He	3 He
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 ³ He необходимо ещё более высокое давление (29 атм) и ещё более низкая температура (0,3 К). Плотность его ещё ниже.

Свойства гелия-4

Для твёрдого гелия-4 характерен такой квантовый эффект , как . Этот эффект состоит в слабо затухающих колебаниях границы раздела фаз « — 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 ⁴ He при температурах <1 К обращаются в 0.

Для ⁴ He основная сингония — гексагональная ( ГПУ ). На фазовой диаграмме видна небольшая область, где ⁴ He 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

При давлениях <100 атм ³ He кристаллизуется в кубической сингонии (ОЦК). Выше ~100 атм твёрдый ³ He переходит в фазу с гексагональной симметрией (ГПУ). Так же как и ⁴ He, ³ He 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 гелия-3. Такой характер поведения гелия-3 был теоретически предсказан И. Я. Померанчуком в 1950 году и экспериментально подтвержден и ( 1957 ), ( 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 ³ He 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 , 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 , 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 .

Теоретические работы

В настоящее время общепринятой теории, объясняющей и описывающей сверхтекучесть в твёрдом гелии, пока нет. Тем не менее, попытки построить такую теорию делаются .

Критика оригинальных работ

В ряде последовавших за оригинальной работой статей указывалось, что аномальное уменьшение момента инерции образца могло иметь и иное происхождение . В 2005 году были опубликованы результаты независимых экспериментов, в которых проявлений сверхтекучего компонента в твёрдом гелии замечено не было . 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 .

Примечания