При крайне низких температурах происходят порой странные вещи. К примеру, твердый гелий становится жидкостью — причем, сверхтекучей. Однако до сих объяснить этот феномен не удается.

Кристаллы твердого гелия организованы, как и все прочие, в кристаллическую решетку, узлы которой заполняют атомы гелия. В местах дефектов этой решетки атомы удерживаются на своих позициях хуже и при определенных условиях могут переходить в состояние сверхтекучести

Группа немецких физиков во главе с Матиасом Тройером (Matthias Troyer) провели опыты по компьютерной симуляции необычного состояния вещества, известного как «сверхтекучее твердое тело». Это чрезвычайно интересное — и весьма перспективное для технологий будущего — явление: при температурах, близких к абсолютному нулю, твердый гелий проявляет свойства сверхтекучести — то есть, течет даже по узким щелям и капиллярам без трения, перетекает через преграды и так далее.

Происходит это из-за сложных квантовых взаимодействий, подробнее о которых можно прочесть в статье «Холодный расчет». Сейчас же просто еще раз повторим, что при температурах близ абсолютного нуля твердый гелий может проявлять свойства сверхтекучей жидкости.

Подозрения о том, что твердый гелий обладает сверхтекучестью, высказывались еще в 1969-м, однако первый эксперимент, на основе которого был сделан вывод о сверхтекучести в твердом гелии, провели только в 2004 г. Прикрепив его кристалл к пружине крутильного маятника, ученые обнаружили долгожданный эффект. В обычных обстоятельствах частота вращения маятника определяется массой груза, однако в опытах с твердым гелием она росла просто при снижении температуры ниже 0,2 Кельвин. Тогда сочли, что часть массы твердого гелия в этих холодных условиях «исключилась» из процесса вращения, ведя себя как сверхтекучая жидкость.

До некоторого момента экспериментальные результаты вполне согласовались с теорией, но более детальные исследования выявили еще один неожиданный эффект: часть твердого гелия, переходившая в фазу сверхтекучей жидкости, росла с увеличением числа дефектов в кристалле этого вещества. Ученые не могли понять, как объяснить этот феномен, тем более что все сложные теоретические модели просчитывались, исходя из «идеального», лишенного дефектов кристалла твердого гелия.

Именно на этом этапе за решение проблемы взялся Матиас Тройер и его команда. Их также можно назвать не теоретиками, а экспериментаторами — правда, эксперименты свои они ставят не на реальных объектах, а на их компьютерных моделях. Это позволяет более детально вникать во все происходящее. Для начала ученые провели опыт с «идеальным», без единого дефекта кристаллом твердого гелия, и… не обнаружили никакой сверхтекучести.

Когда же они изменили свойства компьютерной модели, введя в кристалл дефект — например, поворот кристаллической решетки одной половины кристалла относительно другой — все встало на свои места. Более того, именно область, где в кристалле находился дефект, и проявляла сверхтекучие свойства.

Кстати, английский термин «сверхтекучее твердое тело» — supersolid — дословно означает «сверхтвердый», что послужило причиной забавного казуса. Коллеги Тройера, работающие над той же проблемой в США, получили официальное предложение от американского ВМФ рассмотреть возможности использования такого «сверхтвердого» вещества для корабельной брони или головок снарядов. Разумеется, что ответ ученых был короток: «нет», поскольку на деле «сверхтвердый» не означает особой твердости. Военные тут же потеряли к разработкам интерес.

А зря, ведь, несмотря на то, что возможности практического использования сверхтекучих твердых тел не маячат даже на далеком горизонте, исследования эти чрезвычайно необычны. Прежде всего, тем, что в деталях механизм этого явления еще предстоит раскрыть.

Напомним, что пятерку самых «аномальных» субстанций — ферромагнитные и неньютоновские жидкости, ауксетики и так далее — мы представляли в обзоре «Наука с приветом».

По публикации Science Daily