Самый холодный неметалл: как гелий превращается в «идеальную» жидкость

При сильном охлаждении гелий ведет себя не так, как привычные нам вещества. В жидком виде он показывает удивительные квантовые эффекты: может течь без сопротивления, ползти по стенкам сосуда, проводить тепло намного лучше самых теплопроводных металлов. Поэтому этот элемент и считается самым холодным неметаллом и одним из самых необычных объектов в современной физике.

Что такое сверхтекучесть простыми словами

Есть особое состояние жидкости, при котором исчезает вязкость. Поток не тормозится, не «цепляется» за стенки, не теряет энергию на трение. Такое поведение как раз и называют сверхтекучестью. В макромире это состояние надежно зафиксировано только у жидкого гелия при очень низкой температуре. Если охладить изотоп с массовым числом 4 ниже так называемой λ-точки (примерно 2,17 К), возникает фаза, которую называют гелий-II. В этом виде он уже живет по квантовым правилам.

Гелий-II обладает набором крайне необычных свойств:

• Поток не имеет вязкости и движется без потерь по любой поверхности.
• Способность проводить тепло возрастает в миллионы раз по сравнению с «обычной» жидкой фазой (гелий-I) и даже превосходит лучшие металлы, вроде меди и серебра.
• Появляется пленочный эффект: по стенкам сосуда образуется тонкий слой, который «ползет» вверх, преодолевая силу тяжести.

Почему возникает такое состояние?

Объяснение этого поведения лежит в квантовой механике. Атомы изотопа с массовым числом 4 относятся к бозонам — частицам с целым спином. При почти нулевой температуре множество таких частиц может собраться в одно и то же квантовое состояние. Так формируется конденсат Бозе-Эйнштейна, когда огромная группа атомов ведет себя как единый «квантовый объект».

Есть и другой изотоп — с числом 3. Он относится уже к фермионам и подчиняется иным правилам. Для возникновения сверхтекучего состояния в этом случае сначала должны образоваться куперовские пары: связанные двойки частиц, которые совместно ведут себя как один бозон. Поэтому для изотопа с массой 3 переход в особое жидкое состояние происходит при еще более низкой температуре — порядка тысячных долей кельвина.

Чтобы описать гелий-II, Лев Ландау предложил двухжидкостную модель. В рамках этой идеи рассматривается смесь двух компонент:

• «Нормальная» часть, похожая на обычную жидкость, с вязкостью и энтропией.
• Сверхтекучая фракция, лишенная вязкости и не несущая беспорядка (энтропии).

При температуре, соответствующей λ-точке, доля «идеальной» компоненты равна нулю. При приближении к абсолютному нулю ее количество растет и в пределе стремится к 100 %.

Почему именно гелий — самый холодный неметалл?

Этот элемент относится к неметаллам, так как стоит в правом верхнем углу Периодической системы, внутри группы благородных газов. По своим характеристикам он типичный представитель неметаллических веществ, но по температуре кипения является абсолютным рекордсменом.

Сравним несколько криогенных сред:

• Изотоп с массой 4: кипение при −269 °C (4,2 K).
• Изотоп с массой 3: кипение при −270 °C (3,2 K).
• Водород: переход в парообразное состояние при −253 °C (20 K).
• Азот: кипит при −196 °C (77 K).
• Кислород: жидкая фаза превращается в газ при −183 °C (90 K).

Особенность гелия в том, что при обычном атмосферном давлении он не кристаллизуется даже при температуре, близкой к абсолютному нулю (−273,15 °C). Чтобы получить твердое состояние, нужно не только сильное охлаждение, но и внешнее давление не менее 25 атмосфер.

Как открывали и объясняли сверхтекучий гелий?

Первые шаги

В 1908 году Хейке Камерлинг-Оннес впервые получил жидкий гелий, охладив газ примерно до 4 K. За этот рывок в низкотемпературной физике он получил Нобелевскую премию в 1913 году.

Обнаружение необычных свойств

В 1938 году Петр Капица, а также независимо от него Джон Аллен и Дон Мизенер заметили, что жидкий гелий в особом состоянии (гелий-II) ведет себя совсем не по классическим правилам: течет без сопротивления и проявляет другие «квантовые» эффекты. За это Капица был удостоен Нобелевской премии по физике в 1978 году.

Понимание того, что происходит

В 1941 году Лев Ландау предложил двухжидкостную схему для описания гелия-II. За построение этой теоретической модели он получил Нобелевскую премию по физике в 1962 году.

Расширение объектов исследования

В 2000-е годы внимание физиков вышло за рамки гелия. Похожие квантовые жидкости стали получать:

• из сильно разреженных атомов щелочных элементов (бозе-конденсаты);
• из ультрахолодных ферми-газов;
• велись попытки увидеть такие же эффекты даже в твердом гелии.

Так появилось целое направление, где изучают состояния вещества при экстремально низких температурах.

Где применяют сверхтекучий гелий на практике?

Оборудование для очень низких температур

Жидкий гелий незаменим в установках, где нужно получить температуру, близкую к абсолютному нулю. Без него многие точные эксперименты просто нельзя было бы провести.

Сверхпроводящие магниты

Крупные установки, работающие с сильными магнитными полями, нуждаются в надежном охлаждении:

• ускорители частиц (например, БАК в ЦЕРНе);
• томографы МРТ в медицине.

Там используются магниты на основе сверхпроводников, а для поддержания нужного температурного режима применяют сверхтекучий гелий.

Космические приборы

На орбитальных телескопах и других космических аппаратах нужно охлаждать:

• инфракрасные детекторы;
• особо чувствительные сенсоры.

Для этого также берут сверхтекучий гелий — он помогает снизить тепловое излучение и повысить точность измерений.

Базовая наука с прикладным потенциалом

На таких квантовых жидкостях исследуют:

• квантовые вихри;
• эффекты Джозефсона и другие макроскопические квантовые явления.

Эти работы не только углубляют понимание квантовой гидродинамики, но и закладывают основу для будущих технологий: новых датчиков, элементов квантовой электроники и других приборов.

Что изучают сегодня, и какие есть перспективы

«Ощупывание» квантовой жидкости

В 2020 е годы был создан специальный зонд, который позволил буквально «ощупать» сверхтекучую среду. Результат оказался наглядным:

• большая часть объема гелия-3 в этом состоянии ведет себя почти как пустота;
• реальное взаимодействие с зондом идет через очень тонкий поверхностный слой, который отводит тепло.

То есть сама жидкость выступает как квантовый вакуум, а вся «жизнь» сосредоточена в двумерной оболочке.

Квантовая турбулентность

Еще одно активное направление — сложные завихрения в такой среде. В отличие от обычных потоков, здесь вихри подчиняются строгим квантовым правилам:

• циркуляция квантованного завихрения;
• структура динамики резко отличается от привычной классической картины.

Через анализ этого движения физики лучше понимают, как ведут себя квантовые системы на больших масштабах.

Связь с другими квантовыми состояниями

Исследователи продолжают искать общие черты между сверхтекучими жидкостями и сверхпроводящими материалами. Параллельно идет поиск новых веществ, которые могли бы переходить в похожее состояние при подходящих условиях. Такие работы важны и для теории, и для будущих устройств на базе квантовых эффектов.

Почему гелий так интересен физикам и инженерам?

Гелий показывает, что при очень низких температурах вещество начинает жить по квантовым законам не только на уровне отдельных частиц, но и сразу в масштабах всего объема. Это одновременно:

• самый холодный неметалл в лабораторных условиях;
• уникальная жидкость, которая демонстрирует свойства, бросающие вызов повседневному опыту.

Его поведение:

• расширяет понимание природы материи;
• помогает строить новые методы охлаждения для передовых установок;
• дает модельные системы, где можно «увидеть» квантовую гидродинамику и стереть привычную границу между микро- и макромиром.

Поэтому интерес к гелию не ослабевает: и фундаментальная наука, и высокие технологии продолжают развиваться, опираясь на результаты этих исследований.