СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ, уникальное состояние жидкости
advertisement
СВЕРХТЕКУЧЕСТЬ Два изотопа гелия – жидкий 3Не и жидкий 4Не – это единственные жидкости, которые становятся сверхтекучими при низких температурах (атом 3Не имеет такие же химические свойства, как и атом 4Не, но в его ядре одним нейтроном меньше). Гелий впервые был обнаружен на солнце в 1886 году в ходе спектральных исследований излучения солнца. В 1895 году Рамзай впервые обнаружил гелий на земле, выделив его из урановых минералов. Через 5 лет в 1900 году Рамзай и Траверс обнаружили, что гелий не ожижается при температурах кипения водорода (20.4 К). Впервые гелий был получен в жидком состоянии КамерлингомОннесом 10 июля 1908 года. В этот же день он попытался методом откачки паров получить твердый гелий. Понизив температуру жидкости до 1.72К он не достиг цели. В последующие годы он сделал еще три попытки (1909-1.38 К; 1910-1.04 К; 1919-1.00 К). В 1922 году Камерлинг-Оннес достиг температуры 0.83 К, а в 1932 году Кеезом методом откачки паров получил температуру 0.71 К. Все эти попытки получить твердый гелий в равновесии с газовой фазой закончились неудачей. Стало ясно, что это невозможно принципиально – твердый гелий не имеет границы фазового равновесия с газом. Для определения параметров диаграммы состояния гелия Кеезом в 1926 году построил криостат, представляющий собой капилляр с толстыми стенками, в котором находился жидкий гелий. Повышая давление гелия при температуре его кипения он определил, что при давлении около 130 бар капилляр блокировался, т.е. жидкий гелий переходил в твердое состояние. Дальнейшие исследования показали, что даже при 0 К жидкий гелий кристаллизуется при давлении 24 бар. Изучение свойств жидкого гелия привело к выводу, что , он обладает особенностями, характерными только для этого вещества. 1. Отсутствие бинодали газ-твердое тело на диаграмме состояния. Т.е. у гелия отсутствует тройная точка, что делает его уникальной жидкостью. 2. Исключительно малый коэффициент преломления у жидкой и твердой фазы гелия (1.024), что делает его очень прозрачным. Кеезом, чтобы обнаружить момент затвердевания гелия, помещал в жидкий гелий маленький металлический стержень, способный перемещаться по капилляру. 3. Исключительно малая плотность жидкого гелия, составляющая всего 0.15 г/см3. Это свидетельствует о необычном характере равновесия между кинетической энергией и силами межмолекулярного взаимодействия. В 1926 году Симон определил величину нулевой энергии гелия (энергии при 0 К), которая оказалась неожиданно большой и составила 64 ккал/моль. Именно по этой причине гелий не может затвердевать при равновесии с паром, т.к. энергия нулевых колебаний гелия выше теплоты кристаллизации. Диаграмма состояния гелия 4. Явление λ- перехода. Эксперименты показали, что при охлаждении гелия ниже так называемой лямбда-точки (2,17 K) происходит необычный переход (так называемый фазовый переход второго рода между двумя одинаковыми агрегатными состояниями вещества) обычного жидкого гелия 4Не-I (гелияодин) в другую "ипостась" - 4He-II (гелий-два), где удельный объем гелия остается неизменным, не выделяется и не поглощается тепло (энтропия остается постоянной), но зато наблюдается резкое увеличение теплопроводности и теплоемкости. Впервые к выводу о том, что жидкий гелий, возможно, существует в двух состояниях, пришел Камерлинг-Оннес в 1924 году. Он с 1911 года изучал зависимость плотности жидкого гелия от температуры и обнаружил максимум плотности вблизи температуры 2.2 К. Впоследствии при увеличении точности экспериментов наличие этого максимума было установлено абсолютно точно. В настоящее время это значение является одной из реперных точек низкотемпературной термометрии Тλ =2.182 К при Р=39 торр. При определении зависимости от температуры скрытой теплоты испарения Камерлинг Оннес в 1926 году установил, что при той же температуре наблюдается минимум этой величины. Позднее, Кеезом исследовал температурную зависимость теплоемкости жидкого гелия, которая имеет форму греческой буквы «лямбда» λ, из-за чего этот переход назван λ-переходом. При повышении давления λ-точка смещается в более низкие температуры и пересекается с кривой плавления при температуре Т=1.75 К и давлении Р=30 бар. Скачкообразное изменение характера температурной зависимости теплоемкости при температуре перехода также свидетельствует о переходе жидкости из одного состояния в другое. По терминологии Кеезома и Вольфке высокотемпературная по отношению к λлинии жидкость называется Не I, а низкотемпературная – Не II. Дальнейшие исследования, проведенные Кеезомом, показали, что вдоль всей λ -линии до ее пересечения с кривой плавления перехода между Не I и Не II не сопровождается тепловыделением или поглощением тепла. Это побудило Эренфеста рассмотреть фазовые переходы в общих чертах. Он предложил различать типы переходов по характеру разрывов производных термодинамических потенциалов. а также отсутствие скрытой теплоты фазового превращения означает, что в этот момент осуществляется фазовый переход второго рода 5. Сверхтеплопроводность Не II. Переход от Не I к Не II сопровождается удивительными явлениями, одно из которых заключается в резком прекращении кипения при откачке паров и переходе λ –линии. Это является следствием резкого возрастания теплопроводности. Измерения, проведенные Кеезомом, показали, что теплопроводность Не II вблизи λ – перехода в миллион раз выше, чем у Не I. Связь между прекращением кипения и скачком теплопроводности была установлена не сразу. Лишь тогда, когда Кеезому в 1935 году нужно было объяснить, почему выравнивание температуры в криостате при температурах ниже λ –линии осуществлялось мгновенно, а справа от λ –линии этот же процесс проходил за большой интервал времени, пришлось сделать вывод о скачке теплопроводности. В 1937 году Аллен установил, что теплопроводность Не I зависит еще и от градиента температуры, и от размеров установки. Т.е., для Не I классическое понятие теплопроводности не имеет смысла. В 1948 году в Лос-Аламосской научной лаборатории (США) впервые удалось ожижить и второй стабильный изотоп гелия - 3Не (в природном гелии число атомов 3Не в миллион раз меньше числа атомов 4Не): его температура кипения оказалась примерно на 1oK ниже, чем у базового изотопа. Физики-теоретики сразу же выдвинули предположение, что и эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1oK. Однако для практической проверки этой идеи было необходимо значительно усовершенствовать технологии получения сверхнизких температур и найти эффективные способы выделения этого изотопа из природного гелия в количествах, достаточных для эксперимента. Оба этих условия удалось выполнить лишь через четверть века: в 1974 году группа ученых из Корнеллского университета открыла у жидкого 3Не сверхтекучесть при температурах ниже 0,00265oK и давлении около 35 атмосфер. 6. Термомеханический эффект. При измерении теплопроводности Не II Аллен, Пайерлс и Аддин использовали прибор, представляющий собой теплоизолированный стеклянный сосуд с нагревателем внутри. Этот сосуд через капилляр соединен с ванной, в которой находится Не II . При выключенном нагревателе уровень гелия в сосуде и ванне одинаков. Включение нагревателя приводит к повышению температуры Не и соответствующему увеличению равновесного давления. В результате жидкость в сосуде должна опуститься. Зная мощность нагревателя и измерив разность уровней гелия можно определить теплопроводность гелия. В некоторых случаях при включении нагревателя уровень гелия в измерительном сосуде поднимался, как если бы при включении нагревателя температура гелия падала!!! Изменили опыт, перевернув измерительный сосуд и отрезав дно. Результаты опыта повторились – при включении нагревателя уровень Не II в сосуде поднимался относительно уровня в ванне. Если взять трубку, верхняя часть которой заканчивается соплом, а нижняя часть забита наждачным порошком, и нагревать стенку этой трубки светом, то из сопла начнет бить фонтан гелия высотой до 30 см. Объяснение этого явления должно предполагать, что при повышении температуры гелия навстречу тепловому потоку по капилляру должен устремиться поток жидкого гелия. В результате устанавливается динамическое равновесие между этим термомеханическим потоком и обратным потоком, возникающим за счет гидродинамического давления столба гелия. Открытие термомеханического эффекта натолкнуло на предположение о существовании обратного эффекта, когда благодаря появлению разности давления возникает градиент температуры. Этот эффект был обнаружен в 1939 году Доунтом и Мендельсоном и назван механокалорическим эффектом. При поднятии сосуда над уровнем гелия из отверстия начинал выливаться Не II. При этом гидростатическое давление в пространстве около термометра начинало уменьшаться. Это приводило к повышению температуры гелия в сосуде. При погружении сосуда в ванну с гелием и соответствующем увеличении гидростатического давления температура Не II понижалась. Эти опыты показали, что в первом случае теплосодержание оставшейся в сосуде жидкости повышается . Т.е., пористая перегородка в нижней части сосуда действует как энтропийный «фильтр» - энтропия жидкости, проходящей через него, близка или равна нулю. 7. Сверхтекучесть. В 1932 году Кеезом и мисс Кеезом предположили, что вязкость Не II на много ниже, чем у Не I. Это предположение было основано на том, что самые маленькие трещины в оборудовании проявлялись при помещении его в Не II . В 1938 году Кеезом и Мак-Вуд измерили вязкость гелия в зависимости от температуры методом колеблющихся дисков. Определили, что при переходе через λ-точку вязкость гелия уменьшается не менее чем в 1500 раз. Капица предложил назвать это свойство сверхтекучесть. 8. Перенос по пленке. В 1938 году Доунт и Мендельсон в Англии и Лазарев и Кикоин в СССР обнаружили эффект переноса гелия по пленке. 9. Вращение гелия. Фонтанный эффект. Свойства течения сверхтекучей компоненты необычны, потому что такое течение может быть вызвано не только разностью давлений, но и разностью температур (обычная жидкость течет только вследствие разности давлений). Если погрузить в жидкий гелий электронагреватель, то сверхтекучая компонента потечет к нагреваемой области, а нормальная – к холодной в соответствии с законом сохранения масс. На этом основан впечатляющий эффект, называемый фонтанным. Конец тонкой трубки, набитой очень мелким порошком, опускают в жидкий гелий. Если с помощью электронагревателя нагревать жидкость в трубке, то сверхтекучая компонента потечет внутри трубки, а нормальная вязкая жидкость не сможет течь из-за сопротивления, создаваемого порошком. В результате уровень жидкости внутри трубки повышается и, если продолжать нагрев, жидкость будет бить фонтаном из верхнего конца трубки. Эффект весьма значителен: разность температур в несколько сотых кельвина может создать фонтан до метра высотой. Двухжидкостная модель. В 1940–1941 физики Л.Ландау и Л.Тиса независимо друг от друга предложили теоретическую модель сверхтекучего гелия. Ниже 2,17 К жидкий гелий рассматривается как смесь двух жидкостей: нормальной и сверхтекучей. Нормальная жидкость имеет свойства обычной вязкой жидкости. Сверхтекучая же компонента имеет нулевую вязкость, а также нулевую энтропию и энтальпию. Чуть ниже температуры перехода 2,17 К большую часть жидкости составляет нормальная компонента, а сверхтекучая – только малую часть. При дальнейшем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и ниже 1 К жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей. На основе такой модели предсказан новый тип звуковых волн (второй звук), которые могут распространяться в сверхтекучей жидкости. Второй звук – это волна температуры, которая регистрируется при помощи термометра (обычные звуковые волны – это волны давления, которые детектируются микрофоном). Экспериментальное наблюдение второго звука (Москва, 1944) подтвердило многие аспекты двухжидкостной модели. Квантовые эффекты. Необычные свойства сверхтекучей компоненты объясняются тем, что большая часть атомов гелия движется когерентной группой, а не независимо, как атомы любого другого вещества. Наибольшее впечатление эти квантовые эффекты производят, если привести во вращение контейнер с жидким гелием. Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером, как обычная жидкость, сверхтекучая жидкость превращается в сплетение мелких водоворотов, которые называются квантованными вихрями. Картина течения в каждом таком вихре подобна картине течения в смерче, но в гелии скорость потока определяется постоянной Планка, фундаментальной константой квантовой механики (см. также ПЛАНКА ПОСТОЯННАЯ). Существование этих квантованных вихрей во вращающемся гелии было предсказано в 1950 Л.Онсагером и Р.Фейнманом и подтверждено множеством экспериментов. В 1974 были получены первые фотографии квантованных вихрей. Это оказалось возможным благодаря захвату электронов ядром вихря (подобно тому как камни и обломки втягиваются в центр смерча). Захваченные электроны, создающие изображение на люминофорном экране, отмечают положение каждого вихря и наглядно свидетельствуют о макроскопической квантовой природе сверхтекучей жидкости. Фазовые переходы в сверхтекучей жидкости. Уменьшение плотности сверхтекучей жидкости до нуля при температуре 2,17 К и острый пик теплоемкости в этой же точке указывают на то, что при переходе сверхтекучей жидкости в нормальную происходит термодинамический фазовый переход. В своих ранних статьях Онсагер и Фейнман высказывали мнение, что механизм квантованных вихрей может лежать в основе этого фазового перехода, но ни тот, ни другой не проводил расчетов, чтобы подтвердить свою догадку. Только в 1987 математическая теория фазового перехода показала, что их мысль была верна. В этой теории увеличение тепловой энергии жидкости приводит к образованию вихревых витков, подобных кольцам дыма, которые пускают курильщики. При температуре значительно ниже 2,17 К возбуждаются только очень малые вихри, диаметром в несколько ангстрем. Эти вихри, соответствующие нормальной компоненте двухжидкостной модели Ландау, оказывают сопротивление сверхтекучей жидкости, но, будучи очень малыми, они лишь частично уменьшают ее плотность. При повышении температуры образуются вихри все больших и больших размеров. При 2,17 К вихри приобретают размеры, ограниченные только размерами сосуда; это приводит к тому, что плотность сверхтекучей жидкости обращается в нуль и гелий становится нормальной жидкостью. Сверхтекучий 3Не. Редкий изотоп 3Не начали исследовать лишь в 1949. В первых экспериментах 3Не не был сверхтекучим при температурах выше 1 К. Однако физики-теоретики предсказывали, что эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1 К. Благодаря достижениям техники низких температур группе ученых из Корнеллского университета удалось охладить жидкий 3Не до температур ниже 0,003 К и обнаружить фазовый переход в жидкости. Последующие измерения подтвердили, что жидкий 3Не становится сверхтекучим при охлаждении до сверхнизких температур. Многие свойства сверхтекучего 3Не весьма отличны от свойств 4Не. В 3Не сверхтекучая жидкость состоит из пар атомов 3Не, связанных силами взаимного притяжения. Это похоже на ситуацию в металлических сверхпроводниках, сверхпроводимость которых обусловлена образованием связанных пар электронов (см. также СВЕРXПРОВОДИМОСТЬ). Еще одно различие состоит в том, что атомы 3Не имеют магнитный момент, а атомы 4Не – нет. Это означает, что на сверхтекучий 3Не должны действовать внешние магнитные поля. Дальнейшие исследования сделают более понятной квантовую природу сверхтекучести. См. также ГЕЛИЙ; ФИЗИКА НИЗКИX ТЕМПЕРАТУР. Магический кристалл Наконец получило подтверждение одно из самых фантастических предположений современной физики: сверхтвердое кристаллическое вещество при температурах, близких к абсолютному нулю, одновременно обладает и свойствами сверхтекучей жидкости. "Теорфизика состоит из двух частей: одна собственно теоретическая физика и другая теория сверхтекучести гелия". Лев Ландау О научной сенсации стало известно сразу после новогодних праздников - авторами ее стали американские физики из Пенсильванского университета Мозес Чан и Юн-Сен Ким. Как следует из результатов их работы, опубликованных в одном из январских выпусков журнала Nature, сверхтекучий кристаллический гелий, похоже, наконец получен, хотя утверждать это наверняка пока не рискуют даже сами авторы эксперимента. Но и самые осторожные комментаторы считают, что, если результаты этого оригинального опыта подтвердятся, можно будет говорить об открытии нобелевского уровня. Это будет крупнейшим успехом многолетней исследовательской программы в области физики низких температур, в которую, к слову, весомую лепту внесли и наши соотечественники. До девяноста кельвинов Согласно классическому определению дисциплины, физика низких температур - раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (182,97oC, 90,19oК). Работающие в этой области ученые, на долю которых приходится едва ли не треть всех Нобелевских премий по физике, врученных после второй мировой войны, изучают процессы, происходящие в относительно небольшом диапазоне 0-90,19oК, характеризующем состояния вещества, недостижимые в естественных земных условиях. Столь разительное несоответствие между кажущейся узостью сферы интересов "низкотемпературщиков" и повышенным вниманием к ним шведских академиков довольно удивительно для неспециалистов. Однако для самих физиков (как теоретиков, так и экспериментаторов) ничего удивительного в этом обилии премий, врученных за пятьдесят с небольшим лет, нет и в помине. Ведь по количеству эффектных и непредсказуемых результатов, полученных "низкотемпературщиками", потягаться с ними могут, пожалуй, лишь специалисты в области физики элементарных частиц. Причем, что особенно любопытно, львиная доля достижений физики низких температур приходится на исследования сверххолодного состояния одногоединственного химического элемента - гелия. Этот инертный газ, использовавшийся лишь в качестве охлаждающей среды, в экстремальных температурных условиях приобретает такой набор странных свойств, что для их убедительного теоретического обоснования потребовались усилия крупнейших физиков ХХ столетия. Нулевая вязкость Пионером исследований фазовых переходов гелия стал голландец Хейке Каммерлинг-Оннес: именно он в 1908 году впервые сумел экспериментально перевести основной изотоп гелия - 4Не - в жидкую фазу при достижении рекордно низкой температуры 4,2oК (для сравнения: водород превращается в жидкость при 20,38oK). "При температуре ожижения (4oК) гелий представляет собой жидкость малого удельного веса, раз в пять легче воды, очень прозрачную, с очень малым коэффициентом преломления, вследствие чего его трудно видеть: нужно приноравливаться, чтобы заметить, наполнен ли сосуд жидким гелием или нет. Когда на жидкий гелий падает свет, он непременно будет кипеть. То количество света, которое проходит через прозрачный дьюаровский сосуд и падает на него, сообщает ему достаточное тепло, чтобы привести его в состояние кипения" (из доклада Петра Капицы "Свойства жидкого гелия" в МГУ 21 декабря 1944 года). Уже к началу 30-х годов ХХ века физики обнаружили, что свойства самого жидкого гелия представляют еще более интересную область для исследований, чем свойства тех веществ, которые погружались в него для охлаждения. Пожалуй, самое удивительное из этих свойств, впервые открытое в 1938 году Петром Капицей, - сверхтекучесть гелия, то есть способность проникать без трения через тончайшие капилляры и щели (его вязкость - обратное текучести свойство вещества - равна нулю). Явление сверхтекучести проявляется также и при переливании гелия из сосуда в сосуд непосредственно по их стенкам. Две жидкости в одной Первоначальный вариант теоретического объяснения всех "безобразий", происходящих в жидком He-II, был предложен в 1938 году французским ученым Л. Тиссой, а в 1941-м крупнейший отечественный физик-теоретик Лев Ландау создал так называемую двухжидкостную модель, объясняющую поведение гелия. Согласно этой феноменологической теории, гелий в сверхтекучем состоянии состоит из двух разных частей, обладающих различными физическими свойствами, представляя собой как бы раствор одной жидкости в другой. Один из этих компонентов - "нормальный" - имеет свойства обычной вязкой жидкости, а другой - сверхтекучий - не обладает вязкостью и не участвует в переносе тепла. Классический эксперимент, осуществленный в 1946 году одним из учеников Ландау Элевтером Андроникашвили (опыт с крутильными колебаниями стопки тончайших алюминиевых дисков, погруженных в жидкий He-II), впервые позволил непосредственно определить относительное содержание плотностей нормального и сверхтекучего компонента в зависимости от температуры. Оказалось, что чуть ниже температуры перехода 2,17oK большую часть жидкости составляет нормальный компонент, а сверхтекучий - только малую ее часть. При дальнейшем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и ниже 1oK жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей. Тем не менее выделить из He-II отдельные компоненты невозможно. Более того, различие между сверхтекучей и нормальной частями не обнаруживается в покоящейся жидкости и проявиться может лишь при ее движении. Несмотря на то что многие аспекты двухжидкостной теоретической модели Ландау впоследствии нашли блестящее экспериментальное подтверждение, ее неспособность внятно объяснить природу столь странного сосуществования двух компонентов в Не-II вынудила ученых в скором времени начать разработку новой, так называемой микроскопической теории. В квантовом вихре Прогресса в квантовом понимании критических явлений, происходящих в сверхтекучем гелии, удалось достичь уже в 50-е годы, и связан он был прежде всего с исследованием свойств вращающегося He-II. Согласно двухжидкостной модели, при вращении цилиндрического сосуда, заполненного He-II, вокруг оси цилиндра не обладающий вязкостью сверхтекучий компонент должен оставаться неподвижным, а во вращение вовлекаться - только нормальный. Однако опыты показали, что при достаточно больших скоростях вращения сверхтекучий компонент также вовлекается в это вращательное движение. Правда, вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером как обычная жидкость, сверхтекучая превращается в сплетение мелких водоворотов, которые получили затем название квантовых вихрей. Существование этих вихрей во вращающемся гелии было теоретически предсказано в 1950 году американцами Ларсом Онсагером и Ричардом Фейнманом. После нескольких десятилетий бурных дискуссий теоретики наконец пришли к согласию относительно того, что гелий при очень низких температурах единственный известный науке пример квантовой жидкости (другой пример квантовых физических явлений - низкотемпературная сверхпроводимость различных металлов и сплавов). В 80-е годы прошлого века благодаря математическому аппарату теории фазовых переходов, разработанному американцем Кеннетом Вильсоном и рядом других ученых, странная природа сверхтекучего гелия и возникающих в нем квантовых вихрей получила наконец объяснение, претендующее на то, чтобы стать последним. Более или менее успешно разобравшись с природой процессов, происходящих в жидком гелии, низкотемпературщики заинтересовались изучением гелия в твердом состоянии. Как показали многочисленные эксперименты, оба стабильных изотопа (3Не и 4Не) при небольших давлениях остаются жидкими вплоть до температуры абсолютного нуля. Но еще в 1926 году в лейденской криогенной лаборатории, основанной Каммерлинг-Оннесом, другому голландцу, В. Кеезому, удалось получить твердый гелий, подвергнув жидкую фазу 4Не при температуре около 1 K сжатию под давлением в 25 атмосфер. Таким образом, Кеезом стал первым ученым, обнаружившим зависимость фазового перехода гелия из жидкости в твердое тело от изменения давления. В ходе последующих экспериментов минимальную температуру преобразования жидкого 4He в кристаллический удалось существенно поднять - при 4oK для этого нужно применить давление в 140 атмосфер. Твердый (кристаллический) гелий по своей необычности мало уступает родственной квантовой жидкости: в отличие от подавляющего большинства замороженных твердых веществ гелиевая твердая субстанция легко растягивается, подобно резине, а внутри кристалла происходят процессы, не наблюдаемые ни в одном другом твердом теле. Например, даже при полном отсутствии теплового движения (охлаждении твердого гелия до абсолютного нуля) его частицы все равно продолжают двигаться. Теоретики-низкотемпературщики еще в начале 80-х предполагали, что и в этой "экстравагантной" фазе гелия при определенных условиях могут обнаружиться сверхтекучие явления. Для этого состояния был заранее придуман термин supersolid, который при буквальном переводе ("сверхтвердый") может ввести в заблуждение неспециалистов. На самом деле ни о какой избыточной твердости кристаллического гелия здесь речи нет, а приставка "супер" означает лишь очередную необычность его квантовомеханических свойств - способность превратиться в сверхтекучую субстанцию. Однако, несмотря на многочисленные попытки, предпринимавшиеся экспериментаторами за последние двадцать с лишним лет с целью добиться от кристаллического гелия волшебного превращения, до самого недавнего времени ничего не получалось: не давали искомого эффекта ни сверхнизкие температуры, ни сверхмощные сжатия. Сверхтекучесть с запутанной геометрией Для того чтобы зафиксировать фазу превращения "обычного" гелия, пребывающего в твердом состоянии, в необычный сверхтекучий, Мозес Чан и Юн-Сен Ким использовали специфический композитный материал, Vycor glass, с волокнистой структурой, обладающей так называемой запутанной геометрией. Благодаря наличию в структуре "викора" многочисленных беспорядочных пор, имеющих наноразмеры, заполнявший их сжатый гелий под давлением в 62 атмосферы и при относительно высокой температуре в 0,175oK перешел-таки в сверхтекучую стадию. Об этом свидетельствуют данные измерений частоты колебаний капсулы крутильного маятника, в которую был помещен "викоровый" диск с находящимся в нем гелием (основы этой экспериментальной технологии заложены еще в 40-е годы прошлого века в Советском Союзе при разработке опыта Андроникашвили). При достижении критической температуры 0,175oK ученые зафиксировали внезапный резкий скачок амплитуды этих колебаний, тогда как при нагревании капсулы ее колебания вновь становились "нормальными" (так сваренное яйцо вращается быстрее сырого). По мнению американских физиков, внезапный амплитудный всплеск при 0,175oK как раз и свидетельствует о том, что 4He в этот момент перестал взаимодействовать со стенками пор в диске и перешел в сверхтекучую фазу. Как следует из комментария Чана, "в этом состоянии отдельные атомы 4He непрерывно текут без всякого трения, но так как все частицы находятся в одинаковом квантовом состоянии, это вещество все-таки остается твердым телом". Для проверки чистоты этого эксперимента Чан и Ким затем провели аналогичные измерения с использованием полого (очищенного от гелия) викорового диска - никаких скачков амплитуды колебаний маятника в этих опытах зафиксировано не было. Предварительные результаты этих экспериментов для журнала "Эксперт" согласился прокомментировать главный научный сотрудник Института физических проблем им. П. Л. Капицы (ИФП) член-корреспондент РАН Константин Кешишев, возглавляющий исследовательскую группу по изучению термодинамических и кинетических свойств кристаллического гелия. По его словам, Мозес Чан "безусловно высококвалифицированный специалист в этой области экспериментальной физики, и качество проведенных им опытов не вызывает каких-либо сомнений. Чан и его коллеги 'с большим запасом' застраховались от предположения оппонентов о возможном остаточном присутствии в порах 'викора' сверхтекучего жидкого гелия: примененные ими 62 атмосферы значительно превышают известный науке минимум в 40 атмосфер, необходимый для кристаллизации гелия в данном материале. Тонкость использованной Чаном методики позволяет мне осторожно предположить, что, если данные, опубликованные в Nature, будут позднее подтверждены аналогичными экспериментами коллег (в идеале, конечно, хотелось бы увидеть это превращение и в условиях 'неограниченной геометрии', то есть для выращенных в пустых сосудах монолитных кристаллов), эффект сверхтекучести твердого гелия можно будет считать практически доказанным". Тигран Оганесян
