Загадкова надплинність

Уже протягом шести років фізики дискутують, чи може твердий гелій виявляти властивості надплинної рідини. Це дивовижне явище має назву supersolidity — надплинність твердого тіла.

В умовах зниження температури до абсолютного нуля (термодинамічна фаза) речовина в особливому стані (квантової рідини) набуває здатності протікати крізь вузькі щілини та капіляри без тертя. Це й називають надплинністю. Донедавна надплинність була відома тільки у рідкого гелію.

Нещодавно група вчених із Південної Кореї та Японії опублікувала в журналі Science результати нового експерименту, які підтверджують наявність плинності. Якщо цей експеримент буде підтверджено, він може стати рішучим аргументом на користь існування надплинності твердого тіла, вважає Джон Біміш, фізик із Університету Альберти (Едмонтон, Канада).

Уперше ознаки надплинності виявили у 2004 році Мозес Чен із Пенсільванського державного університету та Юн Шон Кім, який зараз працює у Корейському інституті наук і технологій (Теджон, Південна Корея). Вчені сконструювали торсіонний осцилятор: встановили на металеву вісь невелику бляшанку, заповнену ізотопами гелію-4. Гелій заздалегідь охолодили та стиснули, щоб зробити його твердим. Бляшанку почали розкручувати то за, то проти годинникової стрілки. Частота обертів торсіонного осцилятора залежала від кількості маси, що рухалася у бляшанці.?Коли температура гелію опустилася нижче 0,2° за кельвіном, частота різко зросла.?Це могло означати, що деякі атоми гелію відокремлювалися від своїх сусідів і залишалися на місці, тоді як решта оберталася разом із бляшанкою (такий собі некласичний момент інерції).?Вчені інтерпретували це як перехід частини кристалу в надплинний стан.

Проте схожі експерименти невдовзі продемонстрували: щоб виявляти таку аномальну поведінку, кристали гелію мусять мати дефекти. Інші дослідження показали, що в тому ж самому діапазоні температур жорсткість твердого гелію змінюється.?А в червні Джон Реппі з Корнельського університету опублікував дані, які свідчать: замість того, щоб обертатися швидше в умовах нижчих температур через плинність, осцилятор насправді обертається повільніше в умовах вищих температур, оскільки позбавлені дефектів кристали гелію пом’якшуються.

Нещодавно Юн Шон Кім, Кімітоші Коно з Науково-дослідного інституту RIKEN (Вако, Японія) та їхні колеги провели експеримент із торсіонним осцилятором, помістивши його у спеціальний холодильник, або кріостат, у якому установка може набирати швидкості до одного оберту на секунду. Під час проведення експериментів учені виявили: коли швидкість обертання збільшується, зсув частоти, який нібито є ознакою надплинності, зменшується і врешті-решт зникає.

Ось що має статися, якщо плинність без тертя існує.?Надплинна речовина не терпить обертання.?Якщо обертати ємність із надплинним рідким гелієм, у рідині утворяться крихітні «вихори», які крутяться у протилежний бік.?Якщо поставити торсіонний осцилятор у холодильник, що обертається, вихори заважатимуть надтекучій масі. Через це менше атомів зупиняться, і зсув частоти зменшиться. Результати експерименту свідчать, що обертання активізує вихори у твердому гелії, каже Себастьян Балібар, фізик із Ecole Normale Superieure (Париж, Франція).

Паралельні вимірювання показали, що обертання не впливає на жорсткість гелію, доповідає Балібар, тому зміни жорсткості не можуть пояснити одержані результати. «Заперечення Джона Реппі можна відкинути», — вважає вчений.?Натомість Реппі зауважує, що Кім та його колеги вимірюють жорсткість гелію, накопиченого у спеціальному каналі, який проходить крізь бляшанку, тому вимірювання можуть не показувати, що відбувається в інших місцях твердого тіла.

То чи доводить експеримент Кіма та Кано існування надплинності твердого тіла??Кім зазначає, що його команда не спостерігала вихорів безпосередньо. Водночас він не може знайти іншого пояснення результатів експерименту, окрім сценарію надплинності. Чи знайдуть альтернативне пояснення інші вчені?

За матеріалами Українського наукового клубу та журналу Science