Нещодавно вченим з Японії вдалося виростити ідеальні кристали твердого гелію, що в земних лабораторіях зробити дуже 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 кристали 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 надплинність - стан, при якому він має нульову в'язкість, тобто при проходженні через різні отвори або просто по поверхні між ним взагалі не виникає тертя. Самі розумієте, таке властивість може бути вельми корисним. Крім того, доведено, що в надплинному стані речовини можуть бути ще і високотемпературними надпровідниками.

Словом, якби вчені змогли перекласти без всяких проблем відомі нам речовини в сверхтекучее стан, можна було б вирішити безліч проблем. Але от біда - зробити це поки що досить складно. У той же час ще в 60-х роках минулого сторіччя висловлювалися припущення про те, що сверхтекучестью можуть мати і деякі тверді тіла, особливо ті, що утворюють кристали. І найпершими кандидатами на роль таких називалися кристали твердого гелію, які утворюються при тиску більше 25 атмосфер.

Ще в 2004 році американські фізики з Університету Альберти повідомили про експериментальному спостереженні абсолютно несподіваного ефекту - надтекучості у твердому гелії. Однак їх експерименти не вдалося відтворити в інших лабораторіях, в результаті чого достовірність результатів даної роботи була піддана сумніву. Трохи пізніше, в 2009 році, фізикам з Каліфорнійського університету в Берклі вдалося отримати газ рубідію в стані надплинного 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), однак у природі цей метал існує в розсіяному стані, не утворює власних мінералів і зустрічаючись в основному разом з іншими лужними елементами, наприклад, з калієм. Тобто його досить складно добувати, що робить всі дослідження з ним дуже дорогими.

З-за цього вчені знову вирішили повернутися до улюбленого всіма гелію. Але щоб досліджувати його властивість надтекучості в твердому стані, спершу необхідно виростити ті самі кристали. В принципі це не складно - для цього треба 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 властивостях, у тому числі і на надтекучості.

І ось нещодавно вчені з Японії запропонували вельми оригінальний спосіб впоратися з цією проблемою - треба просто вирощувати кристали в невагомості! Причому зовсім не обов'язково робити це в космосі - дослідники використовували для своїх експериментів невеликий реактивний літак. Адже за певних траєкторіях руху, наприклад, у параболічному 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 сбрызгивали "краплями" гелію-4, який вже перебував у надплинному стані. Все це відбувалося в спеціальному бортовому холодильнику. Великі кристали гелію розміщували в його нижній камері високого тиску, а потім дробили їх акустичною хвилею, щоб зруйнувати на дрібні шматочки. Після того як їх збрискували сверхтекучим гелієм-4, кристалики меншого розміру плавилися, а великі само швидко зростали, досягаючи в результаті розміру близько 10 мм.

У результаті дослідникам вдалося повністю спостерігати процес формування кристала. Цікаво, що він був схожий на явище, яке називають Оствальдовским дозріванням. Його можна спостерігати в звичного життя на прикладі морозива: з плином часу в ньому більш великі 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 дуже швидким - процес зайняв секунди.

"Кристали гелію можуть дуже швидко виростати з надтекучою матерії. Це ідеальний матеріал для вивчення фундаментальних властивостей таких кристалів, оскільки вони утворюються і дуже швидко" - так прокоментував результати роботи провідний автор дослідження професор Номура Рюджі. Тепер, коли фізикам нарешті вдалося виростити ідеальний кристал твердого гелію, можна буде спробувати перевірити його на надплинність.

До речі, американські вчені, що виявили цю властивість у 2004 році, у відповідь на критику роботи вказували, що в їхніх опонентів нічого не вийшло з-за того, що кристали, з якими ті працювали, були деформовані. Зараз же японські дослідники зможуть перевірити результати своїх колег, використовуючи вже абсолютно нормальний кристал, вирощений в умовах невагомості...