Загадочная сверхтекучесть

Уже на протяжении шести лет физики дискутируют, может ли твердый гелий проявлять свойства сверхтекучей жидкости. Это удивительное явление называется supersolidity — сверхтекучесть твердого тела.

В условиях снижения температуры до абсолютного ноля (термодинамическая фаза) вещество в особом состоянии (квантовой жидкости) приобретает способность протекать сквозь узкие щели и капилляры без трения. Это и называют сверхтекучестью. Некоторое время назад сверхтекучесть была известна только у жидкого гелия.

Недавно группа ученых с Южной Кореи и Японии опубликовала в журнале Science результаты нового эксперимента, которые подтверждают наличие текучести. В случае подтверждения эксперимента он может стать решительным аргументом в пользу существования сверхтекучести твердого тела, считает Джон Бимиш, физик из Университета Альберта (Эдмонтон, Канада).

Впервые признаки сверхтекучести обнаружили в 2004 году Мозес Чен из Пенсильванского государственного университета и Юн Шон Ким, который сейчас работает в Корейском институте
наук и технологий (Теджон, Южная Корея). Ученые сконструировали торсионный осциллятор: установили на металлическую ось небольшую жестянку, заполненную изотопами гелия-4. Гелий заранее охладили и сжали, чтобы сделать его твердым. Жестянку начали раскручивать то за, то против часовой стрелки. Частота оборотов торсионного осциллятора зависела от количества массы, движущейся в жестянке. Когда температура гелия опустилась ниже 0,2^о по Кельвину, частота резко возросла. Это могло означать, что некоторые атомы гелия отделялись от своих соседей и оставались на месте, тогда как остальные вращались вместе с жестянкой (эдакий неклассический момент инерции). Ученые интерпретировали это как переход части кристаллов в сверхтекучее состояние.

Тем не менее похожие эксперименты вскоре продемонстрировали: чтобы проявлять такое аномальное поведение, кристаллы гелия должны иметь дефекты. Другие исследования показали, что в этом же диапазоне температур жесткость твердого гелия меняется. А в июне Джон Реппи из Корнельского университета опубликовал данные, которые свидетельствуют: вместо того чтобы вращаться быстрее в условиях более низких температур из-за текучести, осциллятор на самом деле вращается медленнее в условиях более высоких температур, поскольку лишенные дефектов кристаллы гелия смягчаются.

Недавно Юн Шон Ким, Кимитоши Коно из Научно-исследовательского института RIKEN (Вако, Япония) и их коллеги провели эксперимент с торсионным осциллятором, поместив его в специальный холодильник, или криостат, в котором установка может развивать скорость до одного оборота в секунду. В ходе проведения экспериментов ученые обнаружили: когда скорость вращения увеличивается, сдвиг частоты, что якобы является признаком сверхтекучести, уменьшается и в конце концов исчезает.

Вот что должно произойти, если текучесть без трения существует. Сверхтекучее вещество не терпит вращения. Если вращать емкость со сверхтекучим жидким гелием, в жидкости образуются крохотные «вихри», вращающиеся в противоположную сторону. Если поставить торсионный осциллятор во вращающийся холодильник, вихри будут мешать сверхтекучей массе. Из-за этого меньше атомов остановится и сдвиг частоты уменьшится. Результаты эксперимента свидетельствуют, что вращение активизирует вихри в твердом гелии, говорит Себастьян Балибар, физик из Ecole Normale Superieure (Париж, Франция).

Параллельные измерения показали, что вращение не влияет на жесткость гелия, отмечает Балибар, поэтому изменения жесткости не могут объяснить полученные результаты. «Возражение Джона Реппи можно отвергнуть», — считает ученый. ?При этом Реппи отмечает, что Ким и его коллеги измеряют жесткость гелия, накопленного в специальном канале, который проходит сквозь жестянку. Поэтому измерения могут не показывать, что происходит в других местах твердого тела.

Так доказывает ли эксперимент Кима и Кано существование сверхтекучести твердого тела? ?Ким отмечает, что его команда не наблюдала вихрей непосредственно. Вместе с тем он не может найти другого объяснения результатов эксперимента, кроме сценария сверхтекучести. Найдут ли альтернативное объяснение другие ученые?

По материалам Украинского научного клуба и журнала Science