Гелий твёрдый

ГЕЛИЙ ТВЁРДЫЙ, гелий в кристаллическом состоянии; существует только при достаточно высоких давлениях (смотри рисунок к статье Гелий жидкий). Известны три устойчивые кристаллические модификации ⁴Не: гексагональная плотноупакованная при давлениях выше 2,5 МПа; кубическая объёмно-центрированная в узкой области диаграммы состояния, примыкающей к кривой плавления в интервале температур 1,46-1,77 К, и кубическая гранецентрированная при температурах Т >14,6 К и давлениях выше 10⁵ МПа. Для гелия твердого характерны низкая плотность (до 190 кг/м³) и высокая сжимаемость (до 3,5·10^-8 Па^-1). Гелий  твердый обнаруживает высокую пластичность, предел текучести при сдвиговых деформациях порядка 10³ Па. По оптическим свойствам гелий твердый, как и жидкий гелий, - прозрачная бесцветная среда, показатель преломления которой близок к 1 (1,038 при 2,5 МПа); гексагональная плотноупакованная фаза обладает слабым двойным лучепреломлением. Гелий  твердый - диэлектрик, электрическая прочность его достигает 10⁷ В/см. К особенностям гелия твердого следует отнести низкие значения Дебая температуры (до 25 К) и сравнительно большую роль энгармонизма тепловых колебаний (смотри Динамика кристаллической решётки). Кроме того, в гелии твердом, как и в жидком, практически нерастворимы примеси, за исключением лёгкого изотопа ³Не.

Большая амплитуда колебаний атомов гелия твердого при Т = 0 К (нулевых колебаний) приводит к неустойчивости его кристаллического состояния при давлениях ниже 2,5 МПа и обусловливает другие необычные свойства гелия твердого, что позволяет отнести его к особому классу твёрдых тел - к так называемым квантовым кристаллам, которые отличаются прежде всего необычным характером движения точечных дефектов (например, вакансий). В обычных кристаллах при достаточно низких температурах такие дефекты оказываются «замороженными» в определённых положениях в кристаллической решётке. В гелии твердом существенно отлична от нуля вероятность квантового туннелирования дефекта, например из одного узла решётки в соседний узел. Если эта вероятность достаточно велика (как это имеет место в случае вакансий и примесных атомов ³Не), то дефект делокализуется, то есть движется как квазичастица, обладающая определённой энергией и квазиимпульсом (смотри Вакансион, Дефектен). Процессы диффузии таких дефектов отличаются от обычной классической диффузии (смотри Квантовая диффузия).

Квантовые эффекты существенным образом влияют также на поверхностные процессы в кристаллах гелия. В частности, при Т < 1 К движение межфазной границы между жидким и твёрдым гелием (т. е. рост и плавление кристалла) может происходить практически бездиссипативным образом. Это обеспечивает возможность существования слабозатухающих колебаний поверхности гелия твердого, обусловленных периодическим плавлением и кристаллизацией. Эти так называемые кристаллизационные волны во многом аналогичны капиллярным волнам на поверхности жидкости.

Твёрдый ³Не также известен в трёх кристаллических модификациях: объёмно-центрированной кубической (при давлениях 2,9-13,5 МПа и температурах Т<3,1 К), гексагональной плотноупакованной (при более высоких давлениях и температурах) и гранецентрированной кубической (при давлении выше 161 МПа и Т ≥ 18 К). Физические свойства твёрдого ³Не аналогичны свойствам твёрдого ⁴Не. Отличия обусловлены главным образом наличием спина I = 1/2 у ядра ³Не. При не слишком низких температурах твёрдый ³Не - ядерный парамагнетик с восприимчивостью, подчиняющейся Кюри - Вейса закону (смотри Ядерный парамагнетизм). При Т < 0,93 мК твёрдый ³Не - антиферромагнетик; его антиферромагнетизм обусловлен обменным взаимодействием между ядерными спинами (значительно более слабым по сравнению с взаимодействием в жидком ³Не). Энтропия твёрдого ³Не при Т > 0,93 мК практически постоянна и равна R ln2 (R - универсальная газовая постоянная). Это приводит к наличию глубокого минимума на кривой плавления при N = 0,32 К. Поэтому кристаллизация ³Не при Т < 0,32 К в адиабатических условиях вызывает понижение температуры (Померанчука эффект). Эффект Померанчука лежит в основе одного из наиболее эффективных методов получения температур порядка 1 мК (смотри Низкие температуры).

Лит.: Андреев А. Ф. Диффузия в квантовых кристаллах // Успехи физических наук. 1976. Т. 118. Вып. 2; Лоунасмаа О. В. Принципы и методы получения температуры ниже 1 К. М., 1977; Кешишев К. О., Паршин А. Я.. Бабкин А. В. Кристаллизационные волны в ⁴Не // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1981. Т. 80. Вып. 2.