Сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия оказались ошибочными

Двое физиков из Университета штата Пенсильвания (США) доказали, что сообщения о сверхтекучести твёрдого гелия, которые впервые появились восемь лет назад и считались относительно убедительными, были ошибочными.

Сверхтекучестью называют способность квантовой жидкости (то есть жидкости, на свойства которой существенно влияют квантовые эффекты в поведении составляющих её частиц) при понижении температуры течь через тончайшие капилляры без всякого трения. Переход в сверхтекучее состояние наблюдается, к примеру, в опытах с жидким гелием-4, охлаждаемым до ~2 К.

Существование сверхтекучего компонента в получаемом при повышенном давлении твёрдом гелии, как это ни парадоксально, теории не противоречит, что было показано Александром Андреевым и Ильёй Лифшицем в 1969 году. Ждать экспериментального подтверждения выкладок советских учёных пришлось довольно долго, но в 2004-м оно, казалось, всё же было представлено: наблюдая за тем, как ведёт себя твёрдый гелий-4, «загнанный» в наноразмерные поры стекла «Викор», физики отметили неожиданный эффект. Суть его заключалась в том, что период крутильных колебаний диска, изготовленного из гелийсодержащего «Викора», помещённого в герметичный контейнер и включённого в схему крутильного маятника, резко падал при снижении температуры до ~200 мК.

В аналогичном опыте с твёрдым гелием-3 ничего интересного обнаружено не было, а использование смеси ³He и ⁴He вновь позволило зафиксировать уменьшение периода при охлаждении до температуры, зависящей от концентрации ³He. Примерно такие же результаты принесли исследования чистых (созданных без помощи пористого стекла) образцов твёрдого ⁴He и гелия-4 с примесью ³He.

Крутильный маятник из оригинального эксперимента 2004 года (фото M. Chan / Penn State Univ.).

Хотя изменения периода колебаний маятника в последующие годы наблюдали разные научные группы в разных лабораториях, амплитуда эффекта сильно варьировалась, а некоторые эксперименты, поставленные по другим методикам, и вовсе указывали на то, что он может не иметь никакой связи со сверхтекучестью. К последней группе исследований относилась работа канадских физиков, показавших, что модуль сдвига чистого твёрдого гелия-4 увеличивается на той же температурной отметке в ~200 мК. Анализируя новое явление, канадцы обнаружили и упомянутую выше зависимость от концентрации ³He.

Эти измерения окончательно запутали дело, и вопрос о корректной интерпретации наблюдений за чистыми образцами твёрдого гелия стал не просто сложным, а практически неразрешимым. Испытания же дисков из стекла своей значимости не потеряли, поскольку механизм изменения модуля сдвига в нанопористом «Викоре» действовать не должен.

Однако все известные эксперименты с «Викором» и крутильными маятниками проводились по одной и той же схеме: пористый образец укладывали в металлический контейнер и запечатывали, причём какое-то свободное пространство внутри — пусть и совсем небольшое — нужно было сохранить (в противном случае стекло просто не «пропиталось» бы гелием, подаваемым по полому стержню маятника). При повышении давления в зазоре, очевидно, появлялся чистый твёрдый гелий, а характерные для него вариации модуля сдвига уже могли влиять на период крутильных колебаний, имитируя эффект сверхтекучести.

Сравнение схем установки восьмилетней давности (слева) и её модернизированного варианта (иллюстрация из журнала Physical Review Letters).

Чтобы закрыть эту лазейку, Мозес Хун-Вай Чань (Moses Hung-Wai Chan), один из авторов оригинального опыта 2004 года, разработал новую схему, предусматривающую покрытие небольшого (диаметром в 14 и высотой в 10 мм) диска из «Викора» герметизирующей эпоксидной смолой. В центре диска учёные проделали небольшое отверстие, в которое была вставлена 0,3-миллиметровая вводная трубка. Подготовленное стекло приклеили к инварной пластине, которая затем была зафиксирована на сплошном стержне из бериллиево-медного сплава.

Такая конструкция установки исключала возможность образования сколько-нибудь значимого объёма чистого твёрдого гелия, чего и добивались г-н Чань и его коллега. Завершив измерения, они были вынуждены признать, что период колебаний маятника в районе 200 мК не уменьшался; во всяком случае его падение не регистрировалось на достигнутом временнóм разрешении в 0,1 нс.

Разумеется, отказываться от самой идеи сверхтекучести в твёрдом теле пока рано. Останавливать эксперименты с твёрдым гелием-4 никто не собирается, и результат, полученный в Университете штата Пенсильвания и сводящий всё к изменениям модуля сдвига, ещё будет оспорен.

Подготовлено по материалам arXiv.