Проживая практически в одних и тех же условиях на протяжении своей жизни, человек порой считает свои знания об окружающем мире достаточно полными. Однако, за пределами привычной зоны обитания, в действительности, можно обнаружить довольно неожиданные и захватывающие явления. Одно из таких явлений — сверхтекучесть, которая возникает при очень низких температурах, около абсолютного нуля.

Что же такое сверхтекучесть? – Это состояние вещества, находясь в котором оно теряет вязкость (внутреннее трение), в результате чего вещество способно с легкостью проходить через капилляры и узкие щели без какого-либо трения. Так, например, наиболее известное вещество такого рода – сверхтекучий гелий, который может вытекать из сосуда тонкой жидкой пленкой, образовавшейся на стенках этого сосуда. Также благодаря сверхтекучести гелий способен циркулировать по кругу более 18-ти часов без затухания (дальнейшее замедление происходит не по причине трения, а из-за иных квантово-механических явлений).

Ранние эксперименты с жидким гелием

Впервые сверхтекучий гелий получил нидерландский физик и химик Хейке Камерлинг-Оннес в 1908-м году, хотя в то время этот факт не был ясен. Однако, Камерлинг-Оннес сделал несколько важных наблюдений: он измерил плотность гелия, и выяснил, что она достигает своего максимума при 2,17 кельвинов, а измеряя теплоемкость жидкого гелия, он заметил, что ниже этой температуры значения очень сильно отличаются. Впрочем, эти странности ученый списал на экспериментальные погрешности.

В 1922-м году Камерлинг-Оннес зафиксировал еще одно необычное явление. Он поместил открытый дьюаровский сосуд с жидким гелием в другой такой сосуд, также заполненный жидким гелием, в результате чего ожидал, что гелий из внешнего сосуда будет испаряться быстрее, чем гелий из внутреннего. Это вытекает из привычных для нас законов, однако ученый обнаружил одновременное испарение гелия из обеих емкостей. Примечательно было и то, что если перелить гелий из одной емкости в другую, то спустя короткое время уровни жидкости в обоих сосудах выровняются. Данный поразительный эффект был назван эффектом Камерлинга-Оннеса, хотя он был объяснен несколько позже. Как оказалось, гелий образовывал тонкую пленку поверх каждой из емкостей, в результате чего перетекал по этой пленки из одного сосуда в другой.

Гелий II и фазовые переходы второго рода

В 1927-м году датский физик Вильям Кеезом и польский физик Мечислав Вольфке измерили диэлектрическую проницаемость жидкого гелия – физическую характеристику среды, которая определяет отношение напряженности электрического поля к электрической индукции. Ученые подтвердили, что эта характеристика действительно делает заметный прыжок около критической температуры. Проведя также измерение теплопроводности и теплоемкости, они сделали вывод, что в этом состоянии происходит фазовый переход гелия.

Примечательно, что в отличие от других фазовых переходов (например, из жидкого в газообразное состояние) веществу требуется сколько-нибудь энергии, в то время как такой фазовый переход гелия не требовал энергии вовсе. Также отсутствовала какая-то четкая граница между этими двумя состояниями гелия.

В 1933-м году физик-теоретик Пауль Эренфест создает концепцию фазовых переходов второго рода. Это такие переходы, при которых некоторые характеристики вещества изменяются скачкообразно, в то время как другие – постепенно. Из этого следует, что объем и энергия вещества во время такого фазового перехода – сохраняются, однако меняются характеристики вроде теплоемкости, сжимаемости и тп. Температура, при которой происходит фазовый переход второго рода получила название λ-точка (лямбда-точка) из-за характерной формы графиков нескольких параметров в этой точке. Фазы гелия с температурой выше и ниже критической были названы «гелий I» и «гелий II» соответственно.

Вильям Кеезом считал главной особенностью гелия II – сверхвысокую теплопроводность, что превышала теплопроводность меди при той же температуре в десятки раз.

Открытие сверхтекучести

В 1938-м году сверхтекучесть была открыта советским физиком Петром Капица, и независимо от него, канадские исследователи Джон Ален и Дон Мисенер показали, что гелий II имеет практически нулевую вязкость. Для этого Капица исследовал протекание через сверхтонкие щели, а Ален и Мисенер – через тонкие капилляры. Именно по причине нулевой вязкости возникали все «странные» вышеупомянутые особенности гелия II. Примечательно, что обе научные работы были опубликованы в одном и том же номере научного журнала Nature. Продолжая исследования в этом направлении, в 1978-м году Капица получил Нобелевскую премию «за фундаментальные открытия в физике низких температур».

Однако непонятным остался тот факт, что вязкость гелия II, измеренная методом колеблющегося диска (в этом методе диск, что колеблется, погружается в жидкость, и исследуются затухания его движения) оказалась ненулевой.

Двухжидкостная модель гелия-II

В 1941-м году советский физик Лев Ландау предложил теорию сверхтекучести, согласно которой гелий II есть смесью двух компонент – обычной и сверхтекучей. При этом сверхтекучая компонента имеет температуру абсолютного нуля, и ее число уменьшается с нагреванием.

Переход из основного в возбужденное состояние Ландау связывал с квазичастицами ротонами и фононами, спектр которых должен был иметь особенную форму. Напомним, что квазичастицы представляют собой возбуждения в кристаллах с некоторой волновой функцией. Двухжидкостная модель отлично описывала поведение гелия II и объясняла некоторые особенности вещества.

Ландау не использовал в своей теории явление конденсата Бозе-Эйнштейна (хотя в то время уже возникали способы объяснить сверхтекучесть таким образом), потому что считалось, что активное взаимодействие атомов гелия между собой делает конденсацию невозможной. Однако, в 1947-м году советский математик и физик-теоретик Николай Боголюбов показал, что при некоторых условиях (не слишком высоких скоростях перемещения) этот процесс есть энергетически выгодным, то есть – возможен и даже предпочтителен. Позднее американским физиком Ричардом Фейнманом было показано, что спектр фононов не отвечает тем условиям, которые ставит перед ними теория Ландау. Несмотря на «нефизичность» двухжидкостной модели гелия II Ландау, двухжидкостная гидродинамика отлично работает для решения ряда задач, а потому используется и сегодня. За свои работы, посвященные жидкому гелию, Лев Ландау получил в 1962-м году Нобелевскую премию.

Сверхтекучесть гелия-3

В 1947-м году американские исследователи в области криогеники показали, что гелий-3, присутствующий в обычном гелии в небольших концентрациях, не участвует в сверхтекучем движении, что было подтверждением теории о значении конденсата Бозе-Эйнштейна в этом процессе. Дело в том, что обычный гелий является бозе-жидкостью, то есть состоит из бозонов и способен достигать состояния конденсата Бозе-Эйнштейна. В то же время гелий-3 является ферми-жидкостью, то есть  состоит из фермионов – неспособных переходить в упомянутое состояние. Напомним, что основным отличием бозонов от фермионов является значение спина – целое и полуцелое – соответственно. В 1949-м году был получен гелий-3 и предсказания об отсутствии у него сверхтекучести подтвердились.

В 1956-м году американский физик Леон Купер предложил механизм сверхпроводимости, согласно которому электроны в проводнике образовывали связанные состояния. Такие пары уже имели целый спин, и конденсация Бозе-Эйнштейна для них работала. По теоретическим предсказаниям, температура гелия-3, способного достичь сверхтекучести, составляла всего несколько микрокельвинов (1/1 000 000 К).

Только в 1972-м году криогеника развилась достаточно, чтоб подтвердить, что при температуре 2,6 мК и давлении в 34 атмосферы – гелий-3 переходит в сверхтекучее состояние. За это открытие в 1996-м году американские физики Дуглас Ошеров, Роберт Ричардсон и Дэвид Ли получили Нобелевскую премию по физике. Также были открыты еще три сверхпроводные фазы гелия-3.

Основные факты о сверхтекучести

Главной особенностью систем, которые находятся в состоянии сверхтекучести – есть перенос массы без потери энергии. Объяснение этого явления скрывается глубоко в квантовой механике.

Грубо говоря – в результате возникновения конденсата Бозе-Эйнштейна некоторые частицы занимают наиболее выгодное энергетическое состояние с нулевым импульсом. В то же время присутствуют частицы с ненулевым импульсом, которые «связаны» с частицами с нулевым импульсом, и потому большая часть частиц вещества находится в т.н. когерентном состоянии. То есть имеет место единое состояние для частиц, которые движутся и которые не движутся, что в итоге приводит к движению вещества без внутреннего трения.

К наиболее «странным» особенностям сверхтекучего состояния можно отнести следующие.

Энтропия в веществе в сверхтекучем состоянии равна нулю и не возрастает.

Теплопроводность при нулевой температуре – бесконечная. То есть в сверхтекучем гелии невозможно установить градиент температур. В таком случае гелий проводит тепло с конечной скоростью, хоть и довольно высокой. Примечательно, что в таком гелии тепло распространяется не по обычным уравнениям теплопроводности, а в виде двойной волны, называемой «вторым звуком».

Тонкие пленки – одно из свойств сверхтекучей жидкости, не раз вводившее в заблуждение исследователей, в первую очередь Камерлинг-Оннеса. Сверхтекучий гелий имеет свойство покрывать тонкой пленкой любую твердую поверхностью, «переползая» по стене вверх, несмотря на силу притяжения. Жидкий гелий невозможно удержать в открытой емкости из-за того, что пленка рано или поздно достигает места с высокой температурой и активно там испаряется. Если две посудины имеют общую стенку, то в результате наличия связывающей их пленки их уровни будут постоянно выравниваться. Пленка сверхтекучей жидкости двигается от места с меньшей температурой к месту с большей температурой. Скорость движения такой пленки растет с уменьшением температуры и может достигать несколько метров в секунду. Пленка сверхтекучей жидкости способна просачиваться через сверхузкие щели. Так для емкости с диаметром горлышка в 5 миллиметров 1 литр жидкого гелия будет вытекать в течение часа.

Фонтанный эффект. Если погрузить колбочку с жидким гелием и нагревателем в ней, в большую емкость гелия, то при работе нагревателя, с колбочки начнет бить фонтан гелия, при том, что количество гелия в колбе не будет уменьшаться. Это явление возникает из-за того, что гелий ІІ легко попадает в колбу, поднимаясь по стенкам, однако нагревшись в ней – вылиться, назад не может. Таким образом, возникает поток гелия в колбу, который компенсируется фонтанированием гелия из нее.

Разная вязкость гелия. Существуют два класса методов измерения вязкости: пропускания через щели и капилляры и измерение действия жидкости на объекты, которые движутся в ней. Для большинства жидкостей эти методы дают похожие численные результаты, в то время как для сверхтекучего гелия ситуация иная. Первый метод дает значения меньшие за погрешность эксперимента (близкое к нулю),  а второй – небольшие, но определенные значения. Эта разница может быть объяснена двухжидкостной теорией Ландау: жидкий гелий есть смесь двух компонентов, один из которых имеет нулевую температуру и находится в сверхтекучем состоянии, в то время как другой – нет. Так через щели, в первую очередь, проходит сверхжидкий компонент, тогда как объект, который движется в гелии, наоборот, взаимодействует со вторым компонентом.

Квантовые вихри. Если объект движется в сверхтекучей жидкости (или жидкость быстро течет), то в ней могут образовываться замкнутые контуры потока, которые называют квантовыми вихрями. От обычных вихрей они отличаются тем, что не пропадают со временем.

Сверхтекучесть в иных системах

В 1919-м году тот самый Камерлинг-Оннес открыл квантовое явление протекания электрического тока в твердом теле без потерь, то есть при нулевом электрическом сопротивлении тела, за что получил нобелевскую премию.

В 1995-м году исследователям удалось провести эксперимент, в результате которого разреженный газ при низких температурах перешел в состояние конденсата Бозе-Эйнштейна. Этот газ вел себя точно также как и сверхтекучая жидкость. Дальнейшие эксперименты показали, что тела, движущиеся(с ограниченным диапазоном скоростей) сквозь конденсат не испытывали какое-либо изменение в значении энергии, то есть обмен энергии отсутствовал.

В 2000-м году американский ученый Ян Петер Тоэнниэс добился сверхтекучего состояния для водорода (при температуре 0,15 К). В 2005-м году была обнаружена сверхтекучесть в разреженном фермионом газе при низких температурах.

В 2004-м году исследователи из Пенсильванского университета смогли перевести твердый гелий в сверхтекучее состояние, однако результаты этой работы не были признаны научным сообществом. В 2009-м году исследователи из Калифорнийского университета в Беркли получили сверхтекучее состояние для твердого рубидия. Упорядоченная структура рубидия была схожа со структурой кристалла, и занимала несколько микрометров. Все атомы рубидия находились в одном квантовом состоянии. Такое состояние было названо «supersolid» (сверхтвердый).

Высокотемпературная сверхтекучесть

Помимо сверхтекучего электрического тока, твердого тела или газа, в 2017-м году была также открыта и экспериментально подтверждена более экзотическая система — фотонное сверхтекучее вещество. Исследователи с CNR NANOTEC в Лечче, Италия, и канадского Политехнического университета Монреаля смогли создать фотонное сверхтекучее вещество при комнатной температуре.

Простыми словами – ученые поместили между двух мощных зеркал тонкий слой (100 нанометров) органических молекул и «запустили» фотоны. Частицы света поочередно отбивались от каждого зеркала, протекая через вещество между зеркалами. С помощью сконструированного устройства исследователям удалось получить поляритоны – квазичастицы, возникающие в результате взаимодействия фотонов с возбужденной окружающей средой. Возбуждая эти поляритоны при помощи лазера, удалось заставить фотоны «огибать» препятствующие им ранее частицы.

Применение явления сверхтекучести

Как и с любыми фундаментальными открытиями, сверхтекучесть не имеет какого-либо определенного и популярного применения. На сегодня – это лишь интересное и плохо изученное явление, которое находит применение в очень специфических областях. Так, сверхтекучий гелий используется для охлаждения нагревающихся систем. В перспективе, такой охладитель будет применен для охлаждения сложнейших конструкций, в силу своих способностей – проникать в мельчайшие щели и самостоятельно двигаться в сторону источника тепла.

Дальнейшее изучение сверхтекучести даст более подробное описание этого явления, позволит лучше понять его природу, и тогда появится возможность управлять им и использовать его в бытовых целях.