Становятся ли ультрахолодные кристаллы гелия вязким суперстеклом?
Твердое, жидкое, газообразное - это физические состояния, с которыми знакомо большинство людей. Однако физиков интересуют и другие состояния материи, некоторые из которых чрезвычайно экзотические. Сюда относится так называемая сверхтвердость: если кристалл гелия принимает это агрегатное состояние при очень низких температурах и при высоком давлении, то он является кристаллическим и сверхтекучим одновременно, т. е. жидким без внутреннего трения. Однако это условие еще не было продемонстрировано вне всякого сомнения. Теперь американские исследователи продолжают подогревать опасения по поводу странного агрегатного состояния.
Исследователи под руководством Итана Пратта из Корнелльского университета в Итаке с высокой точностью измерили частоты вращения цилиндра, наполненного замороженным гелием-4, при изменении температуры и обнаружили, что переход в предполагаемое сверхтвердое состояние происходит слишком медленно для такого фазового перехода можно было бы ожидать. Скорее исследователи объясняют свои наблюдения неким «суперстеклом». В этом состоянии гелий был бы такой медленно движущейся жидкостью, что казался бы твердым телом.
Тем самым они еще больше усиливают сомнения в существовании сверхтвердости. Юн-Сон Ким и Мозес Чан из Пенсильванского государственного университета впервые обнаружили доказательства существования этого состояния в 2004 году, когда они поместили изотоп гелия-4 в металлический цилиндр и заморозили его. Затем они вращали его взад и вперед в цилиндре вокруг его длинной оси, как балансир часов, еще больше снижая температуру. Когда температура упала ниже двух десятых градуса выше абсолютного нуля, движение маятника вдруг ускорилось, как будто масса гелия уменьшилась: часть гелия уже не принимала участия в маятнике и молчала. Исследователи объяснили это тем, что эти атомы гелия могут двигаться сквозь кристалл без сопротивления и поэтому освобождаются от принуждения следовать за маятниковым движением.
Дальнейшие эксперименты других исследователей позже показали, однако, что доля атомов, способных делать это, зависит от того, сколько границ зерен имеет кристалл гелия, т.е. насколько он «трещиноват». Если часть гелия становится сверхтекучей на границах зерен и течет по трещинам, то вы имеете рядом два состояния вещества - твердое и сверхтекучее и не можете сказать, что сам кристалл гелия полностью сверхтекучий.