Нещодавно вченим з Японії вдалося виростити ідеальні кристали твердого гелію, що в земних лабораторіях зробити досить непросто - вони легко деформуються під дією сили тяжіння. Однак дослідники надійшли вельми оригінально - вони вирощували гелієві кристали в умовах невагомості, які були створені на борту реактивного літака. 
Перед тим як почати розповідь про кристалах твердого гелію, потрібно нагадати про те, навіщо взагалі вченим вони знадобилися. Як ми знаємо, серед різних агрегатних станів речовини крім рідкого, твердого і газоподібного є ще й таке, яке називають конденсатом Бозе-Ейнштейна. В такому стані речовина складається не з молекул і атомів, а з бозонів, охолоджених до температур, близьких до абсолютного нуля.
Одним з цікавих властивостей конденсату Бозе-Ейнштейна є надтекучість - стан, при якому він має нульовий в'язкістю, тобто при проходженні через різні отвори або просто по поверхні між ним взагалі не виникає тертя. Самі розумієте, така властивість може бути вельми корисним. Крім того, доведено, що в сверхтекучем стані речовини можуть бути ще і високотемпературними надпровідниками.
Читайте також: Матерію ввели в новий стан
Словом, якби вчені змогли переводити без всяких проблем відомі нам речовини в надтекучий стан, можна було б вирішити безліч проблем. Але ось біда - зробити це поки досить складно. У той же час ще в 60-х роках минулого століття висловлювалися припущення про те, що надтекучістю можуть володіти і деякі тверді тіла, особливо ті, що утворюють кристали. І найпершими кандидатами на роль таких називалися кристали твердого гелію, які утворюються при тиску понад 25 атмосфер.
Ще в 2004 році американські фізики з Університету Альберти повідомили про експериментальне спостереженні абсолютно несподіваного ефекту - надплинності в твердому гелії. Однак їхні експерименти не вдалося відтворити в інших лабораторіях, в результаті чого достовірність результатів даної роботи була поставлена під сумнів. Трохи пізніше, в 2009 році, фізикам з Каліфорнійського університету в Берклі вдалося отримати газ рубідію в стані сверхтекучего твердого тіла.
Однак подібний напрямок визнали неперспективним - справа в тому, що з рубідій складно працювати. Хоча він за поширеністю в земній корі знаходиться приблизно на 20-му місці (як мідь, нікель і цинк), проте в природі цей метал існує в розсіяному стані, не утворюючи власних мінералів і зустрічаючись в основному разом з іншими лужними елементами, наприклад, з калієм. Тобто його досить складно добувати, що робить все дослідження з ним досить дорогими.
Через це вчені знову вирішили повернутися до улюбленого всіма гелію. Але щоб дослідити його властивість надплинності в твердому стані, спершу необхідно виростити ті самі кристали. В принципі це не складно - для цього всього лише потрібно створити тиск вище 25 атмосфер і опустити температуру до -272 градусів за Цельсієм. Було неодноразово показано, що в такий "морозилці" кристал утворюється практично за секунди. Однак є ще одне "але": коли кристали гелію ростуть при наявності гравітації, вони легко деформуються. А це сильно позначається на всіх їх властивості, в тому числі і на надплинності.
І ось недавно вчені з Японії запропонували вельми оригінальний спосіб впоратися з цією проблемою - потрібно просто вирощувати кристали в невагомості! Причому зовсім не обов'язково робити це в космосі - дослідники використовували для своїх експериментів невеликою реактивний літак. Адже за певних траєкторіях руху, наприклад, в параболическом польоті, цей аероплан міг знаходиться в умовах невагомості протягом 20 секунд, чого цілком достатньо для того, щоб виростити нормальний кристал. В результаті за 20 годин польотів фізики зуміли провести цілих вісім експериментів!
Досліди проходили так: спочатку за стандартною технологією вирощувалися первинні кристали, а після їх збризкували "краплями" гелію-4, який вже знаходився в сверхтекучем стані. Все це відбувалося в спеціальному бортовому холодильнику. Великі кристали гелію розміщували в його нижній камері високого тиску, а потім дробили їх акустичної хвилею, щоб зруйнувати на дрібні шматочки. Після того як їх сприскують надтекучим гелієм-4, кристалики меншого розміру плавилися, а великі само швидко росли, досягаючи в підсумку розміру близько 10 мм.
В результаті дослідникам вдалося повністю спостерігати процес формування кристала. Цікаво, що він був схожий на явище, яке називають Оствальдовскіх дозріванням. Його можна спостерігати в звичного життя на прикладі морозива: з плином часу в ньому більші кристали льоду приєднують до себе дрібні, і в підсумку весь продукт стає твердим і хрустким. Але в цьому випадку Освальдовское дозрівання відбувається досить повільно, а ось з гелієм ефект вийшов досить швидким - процес зайняв секунди.
"Кристали гелію можуть дуже швидко виростати з сверхтекучей матерії. Це ідеальний матеріал для вивчення фундаментальних властивостей таких кристалів, оскільки вони утворюються дуже і дуже швидко" - так прокоментував результати роботи провідний автор дослідження професор Номура Рюдзи. Тепер, коли фізикам нарешті вдалося виростити ідеальний кристал твердого гелію, можна буде спробувати перевірити його на надтекучість.
Читайте також: Водень довели до ... надпровідності!
До речі, американські вчені, що виявили цю властивість в 2004 році, у відповідь на критику роботи вказували, що у їх опонентів нічого не вийшло через те, що кристали, з якими ті працювали, були деформовані. Зараз же японські дослідники зможуть перевірити ще раз результати своїх колег, використовуючи вже абсолютно нормальний кристал, вирощений в умовах невагомості ...
Читайте найцікавіше в рубриці "Наука і техніка"
