О проекте
Нас блокируют. Что делать?

Зарегистрироваться | Войти через:

Политзеки | Свобода слова | Акции протеста | Украина | Свидетели Иеговы
Читайте нас:
На основном сайте Граней: https://graniru.org/Society/Science/m.56859.html

статья В лаборатории получено принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 15.01.2004
Установка с "крутильным осциллятором", использовавшимся в эксперименте. Фото Penn State University
Установка с "крутильным осциллятором", использовавшимся в эксперименте. Фото Penn State University
Реклама

Американские физики Мозес Чан (Moses Chan) и Юн-Сён Ким (Eun-Seong Kim) из Пенсильванского университета (Pennsylvania State University) получили принципиально новое - "супертвердое" - состояние вещества путем охлаждения гелия-4 до ультрахолодных температур. Супертвердое тело (supersolid) ведет себя подобно сверхтекучей жидкости (которая течет без сопротивления), но имеет все характеристики кристаллических веществ. По-русски можно было бы еще назвать это свойство "сверхтвердостью" (по аналогии со сверхтекучестью и сверхпроводимостью это было бы даже логичнее), однако этот термин уже широко задействован для обозначения совершенно других свойств материалов и имеет в английском свои аналоги - extra-hard, superhard.

Как известно, по своему поведению все атомы делятся на две категории - являются либо бозонами, либо фермионами в зависимости от того, чему равен спин в образованных ими квантовых модулях - нулю или целому числу или полуцелому (об этом говорит теорема Паули). Когда "бозонные" атомы (т.е. подчиняющиеся статистике Бозе-Эйнштейна - это когда в одном и том же квантовом состоянии, в противоположность фермионам, может находиться любое число частиц) вроде гелия-4 охлаждаются до температур, приближающихся к абсолютному нулю (-273°C), они должны перейти в то самое основное квантовое состояние, чтобы сформировать так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна. "Фермионные" атомы, с другой стороны, удовлетворяют условиям принципа исключения Паули (подчиняются статистике Ферми-Дирака) и не могут формировать такой конденсат. В сверхпроводниках бозе-конденсация электронов при низких температурах позволяет электрическому току проходить без сопротивления. А начиная с 1995 года бозе-конденсация атомов наблюдалась в целом ряде ультрахолодных газов.

Надо сказать, что сам по себе твердый гелий - явление почти сверхъестественное. При очень низких температурах поведение атомов гелия диктует квантовая механика, и это не позволяет гелию замерзать, независимо от того, насколько он холоден, если только он при этом не подвергнут давлению по крайней мере в 25 атмосфер. Когда жидкий гелий-4 охлаждают до температуры приблизительно 2 кельвина, он подвергается бозе-конденсации, чтобы стать сверхтекучим. Хотя теория предсказывает, что сверхтекучесть должна также существовать и в твердом гелии-4, подобная "супертвердая" фаза до сих пор никогда не наблюдалась в эксперименте.

Чтобы получить новое небывалое состояние вещества, Чан и Ким сначала сжали газообразный гелий-4 в маленьком кварцевом диске, который как губка пронизан микроскопическими порами "атомарного" размера (этот материал называется вайкор или викор (Vycor) - высококремнеземистое стекло). Затем они поместили этот диск в капсулу "крутильного осциллятора" ("torsional oscillator") и приложили к нему давление свыше 62 атмосфер. После этого они вращали капсулу и измеряли амплитуду и фазу колебаний, температуру же при этом постепенно опускали до почти абсолютного нуля.

Ученые выяснили, что колебания капсулы внезапно возрастали, когда температура опускалась ниже приблизительно 175 милликельвинов. Но атомы гелия не просачивались из экспериментальной капсулы, ведь ее колебания возвращались к норме после того, как капсулу снова нагревали. Все это, как утверждают Ким и Чан, свидетельствует о том, что гелий-4 в этот момент "отцепился" от пор в стеклянном диске и перешел в супертвердую фазу. При таких температурах его поведением управляют законы квантовой механики. Атомы гелия начинают вести себя так, как будто они в одно и то же время являются и твердым веществом, и жидкостью. Некоторая часть атомов гелия в таком случае может начать свободно двигаться сквозь кристаллическую решетку подобно тому, как это происходит в сверхтекучей жидкости, которая перемещается вообще без трения. Такое когерентное движение, собственно, и является признаком бозе-конденсации. "В этом супертвердом состоянии отдельные атомы гелия-4 непрерывно текут - без всякого трения, - но так как все частицы находятся в одинаковом квантовом состоянии, это вещество остается твердым телом", - говорит Чан.

Чтобы проверить полученные результаты, Чан и Ким повторили свой эксперимент с атомами гелия-3, которые являются фермионами. Как и ожидалось, при уменьшении температуры (даже до 0,02 градусов выше абсолютного нуля) не было найдено никаких изменений в периодах колебаний капсулы. "Если наши результаты подтвердятся, это будет означать, что мы теперь способны наблюдать конденсацию Бозе-Эйнштейна в газах, жидкостях и твердых телах", - пишут Чан и Ким.

Источники:
Probable Discovery of a New, Supersolid, Phase of Matter - Penn State Eberly College of Science
Supersolid is seen in the lab - PhysicsWeb
Supersolid, Quantum Crystal, A Bose-Einstein Condensate in Solid - Physics News Update
Glimpse of a new type of matter - Nature News Service

<a href=mailto:borisov@grani.ru class=anons12>Максим Борисов</a>, 15.01.2004


новость Новости по теме
Фото и Видео

Реклама


Выбор читателей