В недавней работе в журнале Nature физики из университета штата Пенсильвания сообщили о регистрации фазового перехода твердого 4He в сверхтекучее состояние.

В этих экспериментах был использован сверхчистый 4He с примесью 3He не выше 3·10^-7. Его закачивали в цилиндрический канал, являющийся частью крутильного маятника (рисунок 3) и переводили в твердую фазу, прикладывая давление свыше 26 бар. Переход гелия в сверхтекучее состояние приводит к резкому уменьшению момента инерции маятника и соответствующему уменьшению периода его колебаний, что легко регистрируется.

Рис. 3. Схема крутильного маятника. Гелий заполняет цилиндрическую область с внешним диаметром 10 мм, толщиной стенок 0.63 мм и высотой 5 мм (в контрольном эксперименте цилиндрическая полость разделена барьером).

Температура перехода составляет около 250 мК, что примерно на порядок меньше температуры перехода жидкого ⁴He в сверхтекучее состояние. В контрольном эксперименте цилиндрическую полость перегораживали барьером, препятствующим движению гелия относительно стенок полости. При этом ступенька на температурной зависимости периода колебаний исчезала. Не наблюдалась она и для образцов, изготовленных из твердого ³He с чистотой 99,999%. Исследования образцов, полученных при различных давлениях (от 26 до 66 бар), позволили определить вид фазовой диаграммы гелия в координатах температура – давление (рисунок 4).

Рис. 4. Фазовая диаграмма жидкого и твердого гелия.

Известно, что сверхтекучесть может как сопровождаться бозе-эйнштейновской конденсацией (газы щелочных элементов, жидкий гелий в объеме), так и обходиться без нее (квазидвумерные пленки жидкого гелия). В этой связи один из интригующих вопросов заключается в том, имеет ли бозе-эйнштейновская конденсация какое-либо отношение к сверхтекучести твердого гелия.