Магический кристалл

Тигран Оганесян
26 января 2004, 00:00

Наконец получило подтверждение одно из самых фантастических предположений современной физики: сверхтвердое кристаллическое вещество при температурах, близких к абсолютному нулю, одновременно обладает и свойствами сверхтекучей жидкости

"Теорфизика состоит из двух частей: одна - собственно теоретическая физика и другая - теория сверхтекучести гелия". Лев Ландау

О научной сенсации стало известно сразу после новогодних праздников - авторами ее стали американские физики из Пенсильванского университета Мозес Чан и Юн-Сен Ким. Как следует из результатов их работы, опубликованных в одном из январских выпусков журнала Nature, сверхтекучий кристаллический гелий, похоже, наконец получен, хотя утверждать это наверняка пока не рискуют даже сами авторы эксперимента. Но и самые осторожные комментаторы считают, что, если результаты этого оригинального опыта подтвердятся, можно будет говорить об открытии нобелевского уровня. Это будет крупнейшим успехом многолетней исследовательской программы в области физики низких температур, в которую, к слову, весомую лепту внесли и наши соотечественники.

До девяноста кельвинов

Согласно классическому определению дисциплины, физика низких температур - раздел физики, изучающий явления, которые наблюдаются при температурах ниже температуры перехода кислорода в жидкое состояние (-182,97oC, 90,19oК). Работающие в этой области ученые, на долю которых приходится едва ли не треть всех Нобелевских премий по физике, врученных после второй мировой войны, изучают процессы, происходящие в относительно небольшом диапазоне 0-90,19oК, характеризующем состояния вещества, недостижимые в естественных земных условиях.

Львиная доля достижений физики низких температур, как в прошлом, так и в нынешнем веке, приходится на исследования суперхолодного состояния одного единственного химического элемента - гелия

Столь разительное несоответствие между кажущейся узостью сферы интересов "низкотемпературщиков" и повышенным вниманием к ним шведских академиков довольно удивительно для неспециалистов. Однако для самих физиков (как теоретиков, так и экспериментаторов) ничего удивительного в этом обилии премий, врученных за пятьдесят с небольшим лет, нет и в помине. Ведь по количеству эффектных и непредсказуемых результатов, полученных "низкотемпературщиками", потягаться с ними могут, пожалуй, лишь специалисты в области физики элементарных частиц.

Причем, что особенно любопытно, львиная доля достижений физики низких температур приходится на исследования сверххолодного состояния одного-единственного химического элемента - гелия. Этот инертный газ, использовавшийся лишь в качестве охлаждающей среды, в экстремальных температурных условиях приобретает такой набор странных свойств, что для их убедительного теоретического обоснования потребовались усилия крупнейших физиков ХХ столетия.

Нулевая вязкость

Пионером исследований фазовых переходов гелия стал голландец Хейке Каммерлинг-Оннес: именно он в 1908 году впервые сумел экспериментально перевести основной изотоп гелия - 4Не - в жидкую фазу при достижении рекордно низкой температуры 4,2oК (для сравнения: водород превращается в жидкость при 20,38oK).

"При температуре ожижения (4oК) гелий представляет собой жидкость малого удельного веса, раз в пять легче воды, очень прозрачную, с очень малым коэффициентом преломления, вследствие чего его трудно видеть: нужно приноравливаться, чтобы заметить, наполнен ли сосуд жидким гелием или нет. Когда на жидкий гелий падает свет, он непременно будет кипеть. То количество света, которое проходит через прозрачный дьюаровский сосуд и падает на него, сообщает ему достаточное тепло, чтобы привести его в состояние кипения" (из доклада Петра Капицы "Свойства жидкого гелия" в МГУ 21 декабря 1944 года).

Уже к началу 30-х годов ХХ века физики обнаружили, что свойства самого жидкого гелия представляют еще более интересную область для исследований, чем свойства тех веществ, которые погружались в него для охлаждения. Пожалуй, самое удивительное из этих свойств, впервые открытое в 1938 году Петром Капицей, - сверхтекучесть гелия, то есть способность проникать без трения через тончайшие капилляры и щели (его вязкость - обратное текучести свойство вещества - равна нулю). Явление сверхтекучести проявляется также и при переливании гелия из сосуда в сосуд непосредственно по их стенкам.

Эксперименты показали, что при охлаждении гелия ниже так называемой лямбда-точки (2,17oK) происходит необычный переход (так называемый фазовый переход второго рода между двумя одинаковыми агрегатными состояниями вещества) обычного жидкого гелия 4Не-I (гелия-один) в другую "ипостась" - 4He-II (гелий-два), где удельный объем гелия остается неизменным, не выделяется и не поглощается тепло (энтропия остается постоянной), но зато наблюдается резкое увеличение теплопроводности и теплоемкости.

В 1948 году в Лос-Аламосской научной лаборатории (США) впервые удалось ожижить и второй стабильный изотоп гелия - 3Не (в природном гелии число атомов 3Не в миллион раз меньше числа атомов 4Не): его температура кипения оказалась примерно на 1oK ниже, чем у базового изотопа. Физики-теоретики сразу же выдвинули предположение, что и эта жидкость может стать сверхтекучей, если ее охладить до температур ниже 1oK. Однако для практической проверки этой идеи было необходимо значительно усовершенствовать технологии получения сверхнизких температур и найти эффективные способы выделения этого изотопа из природного гелия в количествах, достаточных для эксперимента. Оба этих условия удалось выполнить лишь через четверть века: в 1974 году группа ученых из Корнеллского университета открыла у жидкого 3Не сверхтекучесть при температурах ниже 0,00265oK и давлении около 35 атмосфер.

Две жидкости в одной

Первоначальный вариант теоретического объяснения всех "безобразий", происходящих в жидком He-II, был предложен в 1938 году французским ученым Л. Тиссой, а в 1941-м крупнейший отечественный физик-теоретик Лев Ландау создал так называемую двухжидкостную модель, объясняющую поведение гелия. Согласно этой феноменологической теории, гелий в сверхтекучем состоянии состоит из двух разных частей, обладающих различными физическими свойствами, представляя собой как бы раствор одной жидкости в другой. Один из этих компонентов - "нормальный" - имеет свойства обычной вязкой жидкости, а другой - сверхтекучий - не обладает вязкостью и не участвует в переносе тепла.

Вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером как обычная жидкость, сверхтекучий компонент гелия превращается в сплетение мелких водоворотов, которые получили название квантовых вихрей

Классический эксперимент, осуществленный в 1946 году одним из учеников Ландау Элевтером Андроникашвили (опыт с крутильными колебаниями стопки тончайших алюминиевых дисков, погруженных в жидкий He-II), впервые позволил непосредственно определить относительное содержание плотностей нормального и сверхтекучего компонента в зависимости от температуры. Оказалось, что чуть ниже температуры перехода 2,17oK большую часть жидкости составляет нормальный компонент, а сверхтекучий - только малую ее часть. При дальнейшем охлаждении жидкости сверхтекучей фракции становится все больше, и ниже 1oK жидкость почти полностью оказывается сверхтекучей.

Тем не менее выделить из He-II отдельные компоненты невозможно. Более того, различие между сверхтекучей и нормальной частями не обнаруживается в покоящейся жидкости и проявиться может лишь при ее движении.

Несмотря на то что многие аспекты двухжидкостной теоретической модели Ландау впоследствии нашли блестящее экспериментальное подтверждение, ее неспособность внятно объяснить природу столь странного сосуществования двух компонентов в Не-II вынудила ученых в скором времени начать разработку новой, так называемой микроскопической теории.

В квантовом вихре

Прогресса в квантовом понимании критических явлений, происходящих в сверхтекучем гелии, удалось достичь уже в 50-е годы, и связан он был прежде всего с исследованием свойств вращающегося He-II. Согласно двухжидкостной модели, при вращении цилиндрического сосуда, заполненного He-II, вокруг оси цилиндра не обладающий вязкостью сверхтекучий компонент должен оставаться неподвижным, а во вращение вовлекаться - только нормальный. Однако опыты показали, что при достаточно больших скоростях вращения сверхтекучий компонент также вовлекается в это вращательное движение. Правда, вместо того чтобы вращаться вместе с контейнером как обычная жидкость, сверхтекучая превращается в сплетение мелких водоворотов, которые получили затем название квантовых вихрей. Существование этих вихрей во вращающемся гелии было теоретически предсказано в 1950 году американцами Ларсом Онсагером и Ричардом Фейнманом.

После нескольких десятилетий бурных дискуссий теоретики наконец пришли к согласию относительно того, что гелий при очень низких температурах - единственный известный науке пример квантовой жидкости (другой пример квантовых физических явлений - низкотемпературная сверхпроводимость различных металлов и сплавов). В 80-е годы прошлого века благодаря математическому аппарату теории фазовых переходов, разработанному американцем Кеннетом Вильсоном и рядом других ученых, странная природа сверхтекучего гелия и возникающих в нем квантовых вихрей получила наконец объяснение, претендующее на то, чтобы стать последним.

Более или менее успешно разобравшись с природой процессов, происходящих в жидком гелии, низкотемпературщики заинтересовались изучением гелия в твердом состоянии. Как показали многочисленные эксперименты, оба стабильных изотопа (3Не и 4Не) при небольших давлениях остаются жидкими вплоть до температуры абсолютного нуля. Но еще в 1926 году в лейденской криогенной лаборатории, основанной Каммерлинг-Оннесом, другому голландцу, В. Кеезому, удалось получить твердый гелий, подвергнув жидкую фазу 4Не при температуре около 1oK сжатию под давлением в 25 атмосфер.

Таким образом, Кеезом стал первым ученым, обнаружившим зависимость фазового перехода гелия из жидкости в твердое тело от изменения давления. В ходе последующих экспериментов минимальную температуру преобразования жидкого 4He в кристаллический удалось существенно поднять - при 4oK для этого нужно применить давление в 140 атмосфер.

Твердый (кристаллический) гелий по своей необычности мало уступает родственной квантовой жидкости: в отличие от подавляющего большинства замороженных твердых веществ гелиевая твердая субстанция легко растягивается, подобно резине, а внутри кристалла происходят процессы, не наблюдаемые ни в одном другом твердом теле. Например, даже при полном отсутствии теплового движения (охлаждении твердого гелия до абсолютного нуля) его частицы все равно продолжают двигаться.

Теоретики-низкотемпературщики еще в начале 80-х предполагали, что и в этой "экстравагантной" фазе гелия при определенных условиях могут обнаружиться сверхтекучие явления. Для этого состояния был заранее придуман термин supersolid, который при буквальном переводе ("сверхтвердый") может ввести в заблуждение неспециалистов. На самом деле ни о какой избыточной твердости кристаллического гелия здесь речи нет, а приставка "супер" означает лишь очередную необычность его квантовомеханических свойств - способность превратиться в сверхтекучую субстанцию.

Скрупулезность использованной Мозесом Чаном и Юн-Сен Кимом методики позволяет предположить, что эффект свертекучести твердого гелия можно считать практически доказанным

Однако, несмотря на многочисленные попытки, предпринимавшиеся экспериментаторами за последние двадцать с лишним лет с целью добиться от кристаллического гелия волшебного превращения, до самого недавнего времени ничего не получалось: не давали искомого эффекта ни сверхнизкие температуры, ни сверхмощные сжатия.

Сверхтекучесть с запутанной геометрией

Для того чтобы зафиксировать фазу превращения "обычного" гелия, пребывающего в твердом состоянии, в необычный сверхтекучий, Мозес Чан и Юн-Сен Ким использовали специфический композитный материал, Vycor glass, с волокнистой структурой, обладающей так называемой запутанной геометрией. Благодаря наличию в структуре "викора" многочисленных беспорядочных пор, имеющих наноразмеры, заполнявший их сжатый гелий под давлением в 62 атмосферы и при относительно высокой температуре в 0,175oK перешел-таки в сверхтекучую стадию.

Об этом свидетельствуют данные измерений частоты колебаний капсулы крутильного маятника, в которую был помещен "викоровый" диск с находящимся в нем гелием (основы этой экспериментальной технологии заложены еще в 40-е годы прошлого века в Советском Союзе при разработке опыта Андроникашвили). При достижении критической температуры 0,175oK ученые зафиксировали внезапный резкий скачок амплитуды этих колебаний, тогда как при нагревании капсулы ее колебания вновь становились "нормальными" (так сваренное яйцо вращается быстрее сырого). По мнению американских физиков, внезапный амплитудный всплеск при 0,175oK как раз и свидетельствует о том, что 4He в этот момент перестал взаимодействовать со стенками пор в диске и перешел в сверхтекучую фазу.

Как следует из комментария Чана, "в этом состоянии отдельные атомы 4He непрерывно текут без всякого трения, но так как все частицы находятся в одинаковом квантовом состоянии, это вещество все-таки остается твердым телом".

Для проверки чистоты этого эксперимента Чан и Ким затем провели аналогичные измерения с использованием полого (очищенного от гелия) викорового диска - никаких скачков амплитуды колебаний маятника в этих опытах зафиксировано не было.

Предварительные результаты этих экспериментов для журнала "Эксперт" согласился прокомментировать главный научный сотрудник Института физических проблем им. П. Л. Капицы (ИФП) член-корреспондент РАН Константин Кешишев, возглавляющий исследовательскую группу по изучению термодинамических и кинетических свойств кристаллического гелия. По его словам, Мозес Чан "безусловно высококвалифицированный специалист в этой области экспериментальной физики, и качество проведенных им опытов не вызывает каких-либо сомнений. Чан и его коллеги 'с большим запасом' застраховались от предположения оппонентов о возможном остаточном присутствии в порах 'викора' сверхтекучего жидкого гелия: примененные ими 62 атмосферы значительно превышают известный науке минимум в 40 атмосфер, необходимый для кристаллизации гелия в данном материале.

Тонкость использованной Чаном методики позволяет мне осторожно предположить, что, если данные, опубликованные в Nature, будут позднее подтверждены аналогичными экспериментами коллег (в идеале, конечно, хотелось бы увидеть это превращение и в условиях 'неограниченной геометрии', то есть для выращенных в пустых сосудах монолитных кристаллов), эффект сверхтекучести твердого гелия можно будет считать практически доказанным".