Fast helium är heliums tillstånd vid en temperatur nära absolut noll och ett tryck som är mycket högre än atmosfärstrycket. Helium är det enda grundämnet som inte stelnar, förblir i flytande tillstånd, vid atmosfärstryck och godtyckligt låg temperatur . Övergången till ett fast tillstånd är endast möjlig vid ett tryck på mer än 25 atm .
Efter att Heike Kamerling-Onnes lyckades uppnå heliumkondensationen 1908 försökte han få tag i fast helium. Genom att pumpa ut ångor lyckades han nå λ-punkten (1,4 K ). Under de följande tio årens forskning var det möjligt att sjunka till 0,8 K, men helium förblev flytande. Och först 1926 kunde Willem Hendrik Keesom , en student från Kamerling-Onnes , få 1 cm³ fast helium med inte bara låg temperatur utan även högt tryck.
Mina experiment, som gjorde det möjligt att erhålla helium i ett fast tillstånd, visade ganska tydligt att omvandlingen av helium till ett fast tillstånd inte bara kräver en temperatur vid vilken intraatomära krafter övervinner termisk rörelse i en sådan utsträckning att atomer kan grupperas in i ett kristallgitter, men det krävs också , och effekten av externt tryck, som måste vara tillräckligt högt för att sätta igång intraatomiska krafter. Utan applicering av sådant tryck förblir helium flytande även vid de lägsta uppnådda temperaturerna, även om det vid en viss temperatur plötsligt kan övergå till ett nytt flytande aggregationstillstånd.
— Från en föreläsning före den femte internationella kongressen om kylning i Rom, 13 april 1928, Nature, 123, 847, 1928
Heliums fysikaliska egenskaper:
| Fast egendom | 4 Han | 3Han _ |
|---|---|---|
| Molvolym, cm³/mol (bcc) | 21,1 (1,6K) | 24 (0,65 K) |
| Minsta bildningstryck (kristallisation), atm | 25 | 29 (0,3K) |
| Densitet av fast helium, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Densitet av flytande helium, g/cm³ (0 K) | 0,145 | 0,08235 |
Fast helium är ett kristallint transparent ämne, och gränsen mellan fast och flytande helium är svår att upptäcka, eftersom deras brytningsindex är nära. Densiteten av fast helium är mycket låg, den är 0,187 g / cm³ (mindre än 20% av isens densitet vid -273 ° C ). Bildandet av fast 3 He kräver ett ännu högre tryck (29 atm) och en ännu lägre temperatur (0,3 K). Dess densitet är ännu lägre.
Fast helium-4 kännetecknas av en sådan kvanteffekt som kristallisationsvågor . Denna effekt består i svagt dämpade svängningar av fasgränsen " kvantkristall - superfluid vätska". Oscillationer uppstår med en lätt mekanisk verkan på "kristall-vätska"-systemet. Det räcker vid en temperatur <0,5 K för att skaka anordningen något, eftersom gränsen mellan kristallen och vätskan börjar svänga som om det vore gränsen mellan två vätskor.
Entropin och entalpin för fusion av 4 He vid temperaturer <1 K blir till 0.
För 4 He är huvudsyngonin hexagonal ( hcp ). Fasdiagrammet visar ett litet område där 4 He passerar in i det kubiska systemet ( bcc ). Vid relativt höga tryck (1000 atm) och en temperatur på ~15 K, uppstår en ny fcc kubisk fas .
I figuren, fasbeteckningar:
Vid tryck <100 atm 3 kristalliseras han i det kubiska systemet (bcc). Över ~100 atm, fast 3 Han övergår i en fas med hexagonal symmetri (hcp). Samt 4 He, 3 He vid tryck >1000 atm och ~15 K passerar in i den kubiska fasen (fcc).
Under 0,3 K är de termodynamiska egenskaperna hos flytande och fast helium-3 ovanliga genom att under adiabatisk kompression kyls flytande helium, och med ökande kompression fortsätter kylningen tills den flytande fasen övergår i en fast substans. Detta beror på det betydande bidraget från helium-3s kärnmagnetism till dess entalpi. Effekten kallas kompressionskylning av helium-3. Detta beteende hos helium-3 förutspåddes teoretiskt av I. Ya. Pomeranchuk 1950 och bekräftades experimentellt av W. M. Fairbank och G. K. Walters ( 1957 ), Yu. D. Anufriev ( 1965 ). Sedan dess har adiabatisk kompressionskylning använts i många laboratorier. Denna metod gör det möjligt, med utgångspunkt från låga temperaturer som upprätthålls av en upplösningskriostat , att erhålla temperaturer under 0,003 K, tillräckligt låga för experiment med superfluid helium.
Smältkurvan för 3 He vid T < 0,3 K har en negativ derivata . Som ett resultat observeras en ovanlig fysisk effekt för helium-3. Om flytande helium-3, som har en temperatur på <0,01 K och ett tryck på 30–33 atm, värms upp kommer vätskan att frysa vid ~0,3–0,6 K.
Fast helium-3 kännetecknas också av kvanteffekten av kristallisationsvågor , men det manifesterar sig vid temperaturer <10 −3 K.
Misstanken om att även fasta ämnen kan ha superfluiditet uttrycktes för ganska länge sedan [1] , men länge fanns det inga experimentella indikationer på ett sådant fenomen.
2004 tillkännagavs upptäckten av superfluiditet i fast helium. Detta påstående gjordes baserat på effekten av en oväntad minskning av tröghetsmomentet för en torsionspendel med fast helium. Senare studier har dock visat att situationen är långt ifrån så enkel, och därför är det fortfarande för tidigt att tala om den experimentella upptäckten av detta fenomen [2] [3] [4] [5] .
För närvarande finns det ingen allmänt accepterad teori som förklarar och beskriver superfluiditet i fast helium. Men försök att konstruera en sådan teori görs [6] .
I ett antal artiklar som följde på originalverket påpekades att den anomala minskningen av provets tröghetsmoment också kunde ha ett annat ursprung [7] [8] . År 2005 publicerades resultaten av oberoende experiment, där inga manifestationer av superfluidkomponenten i fast helium observerades [9] . År 2012 visades det i en artikel som var medförfattare av författaren till den ursprungliga publikationen , Moses Chan , att tolkningen av den detekterade effekten som en övergång av fast helium till ett superfluid tillstånd var felaktig [10] [11] .