1. Inhalt
  2. Navigation
  3. Weitere Inhalte
  4. Metanavigation
  5. Suche
  6. Choose from 30 Languages

Наука

Сверхпроводимость, сверхтекучесть - и сверхтвердость?

Такое явление, как сверхтекучесть квантовой жидкости, известно уже давно и получило теоретическое обоснование. Сегодня физики ломают голову над другим квантовым эффектом - сверхтекучестью твердого тела.

default

ЯМР-томограф: сверхпроводимость в действии

Физики всего мира уже давно, но с неизбывным интересом изучают свойства материи, подчиняющейся законам квантовой механики. Вообще-то квантовая механика хорошо описывает взаимодействие элементарных частиц, однако при определенных условиях квантовые эффекты могут начать проявляться и на макроскопическом уровне. Для приведения материи в такое состояние требуется охладить ее до очень низких температур, лишь незначительно превышающих абсолютный нуль. Именно так были открыты явления сверхпроводимости и сверхтекучести.

Эффекты, противоречащие здравому смыслу

Но если, скажем, теорию сверхтекучести квантовых жидкостей уже далось разработать довольно подробно, то явление сверхтекучести твердого тела было впервые зарегистрировано лишь в 2004 году в экспериментах с твердым гелием. В западной научной литературе это свойство квантового кристалла получило название сверхтвердости (supersolidity), хотя оно, конечно, не отражает сущности этого загадочного эффекта. А то, что он загадочный и даже парадоксальный - как, впрочем, и остальные квантовые эффекты, - не вызывает сомнения.

Далекому от физики человеку трудно понять, как это возможно, чтобы в металлическом куске кабеля электрическое сопротивление вдруг скачком упало до нуля - а именно это и происходит, когда кабель при охлаждении ниже определенной температуры переходит в сверхпроводящее состояние. Не может не обескуражить дилетанта и то, что жидкости в состоянии сверхтекучести стремятся покинуть сосуд и сами собой ползут по его стенкам вверх, легко преодолевая силу земного тяготения.

"Сверхтвердость - тоже чрезвычайно странный феномен, - говорит профессор Себастьен Балибар (Sébastien Balibar), директор Французского национального центра научных исследований и сотрудник лаборатории статистической физики Высшей педагогической школы Парижа. - Проявляется он лишь при очень низких температурах и очень высоких давлениях. В этих условиях гелий переходит в твердое состояние, кристаллизуется. И оказывается, что часть атомов может совершенно беспрепятственно пронизывать кристалл, не испытывая никакого сопротивления. Очень странный эффект, и именно поэтому он нас интересует".

От предсказания до открытия - 35 лет

Эффект сверхтекучести твердого тела был предсказан советскими физиками-теоретиками, академиками Александром Федоровичем Андреевым и Ильей Михайловичем Лифшицем еще в 1969 году, но наблюдать его экспериментально удалось лишь 35 лет спустя. Это сделали американские исследователи Мозес Чан и Юн Шон Ким в Пенсильванском университете.

"Они заполнили гелием диск из пористого стекла и подвесили его на тонкой нити, получив своего рода крутильный маятник, - рассказывает профессор Балибар. - Затем, понижая температуру и повышая давление, они перевели гелий в твердое состояние, запустили свой "маятник" и принялись измерять момент инерции. Оказалось, что в какой-то момент, при давлении около 50 атмосфер и температуре чуть ниже 0,2 градуса Кельвина, период колебаний маятника скачком изменился, маятник стал колебаться чуть быстрее, чем раньше. Исследователи интерпретировали это как свидетельство перехода твердого гелия в сверхтекучее состояние, то есть как появление в замороженном гелии некоторой группы атомов, не вращающихся вместе со всей системой, а как бы застывших в пространстве неподвижно и никак не взаимодействующих с окружающей их кристаллической решеткой гелия. Эти атомы составляют около одного процента всей массы гелия в диске".

Единожды запущенный эффект длится вечно

Конечно, этот эксперимент и его толкование убедили не всех, хотя контрольные эксперименты не выявили никаких ошибок в методике его проведения. Нашлось немало скептиков, предложивших иные, более простые объяснения, чем некие загадочные квантовые эффекты, - например, возможное наличие примесей в гелии. Профессор Балибар не сомневается в том, что данный феномен реально существует, но признает, что окончательную ясность в вопрос смогут внести лишь дальнейшие эксперименты.

"Конечно, нам хотелось бы наблюдать некий продолжительный эффект, - говорит он. - Уж если речь идет о способности атомов твердого гелия, не встречая сопротивления, перемещаться внутри кристалла, то они, очевидно, должны, получив один раз импульс, двигаться затем неделями и месяцами. Ведь именно так ведет себя, например, сверхпроводник: достаточно, так сказать, запустить в нем электрический ток, и он будет течь до тех пор, пока внешние условия не выведут кабель из состояния сверхпроводимости. Что-то в этом роде мы хотели бы получить и в области сверхтекучести твердого тела, но не знаем пока, как такой эксперимент должен выглядеть".

А уж о том, какое практическое применение может найти этот эффект, пока даже говорить бессмысленно. Впрочем, когда в 1911 году нидерландский физик Хейке Каммерлинг-Оннес (Heike Kamerlingh Onnes) впервые обнаружил явление сверхпроводимости, никому и в голову не могло прийти, что этот эффект найдет широкое применение в самых разных областях жизни - например, в медицинской диагностике.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман

Контекст