Heliul solid este starea heliului la o temperatură apropiată de zero absolut și o presiune mult mai mare decât presiunea atmosferică. Heliul este singurul element care nu se solidifică, rămânând în stare lichidă , la presiunea atmosferică și la temperatură arbitrar scăzută . Trecerea la starea solidă este posibilă numai la o presiune mai mare de 25 atm .
După ce Heike Kamerling-Onnes a reușit să realizeze condensarea heliului în 1908 , a încercat să obțină heliu solid. Pompând vapori, el a reușit să atingă punctul λ (1,4 K ). În următorii zece ani de cercetare, a fost posibil să scadă la 0,8 K, dar heliul a rămas lichid. Și abia în 1926, Willem Hendrik Keesom , un student al lui Kamerling-Onnes , a reușit să obțină 1 cm³ de heliu solid folosind nu numai temperatura scăzută, ci și presiunea ridicată.
Experimentele mele, care au făcut posibilă obținerea heliului în stare solidă, au arătat destul de clar că transformarea heliului în stare solidă necesită nu numai o temperatură la care forțele intra-atomice înving mișcarea termică într-o asemenea măsură încât atomii pot fi grupați. într-o rețea cristalină, dar este, de asemenea, necesar , și efectul presiunii externe, care trebuie să fie suficient de mare pentru a pune în mișcare forțele intraatomice. Fără aplicarea unei astfel de presiuni, heliul rămâne lichid chiar și la cele mai scăzute temperaturi atinse, deși la o anumită temperatură se poate schimba brusc într-o nouă stare lichidă de agregare.
— Dintr-o prelegere susținută înaintea celui de-al cincilea Congres Internațional despre Refrigerare la Roma, 13 aprilie 1928, Nature, 123, 847, 1928
Proprietățile fizice ale heliului:
| Proprietate | 4 El | 3El _ |
|---|---|---|
| Volumul molar, cm³/mol (bcc) | 21,1 (1,6K) | 24 (0,65 K) |
| Presiune minimă de formare (cristalizare), atm | 25 | 29 (0,3K) |
| Densitatea heliului solid, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Densitatea heliului lichid, g/cm³ (0 K) | 0,145 | 0,08235 |
Heliul solid este o substanță transparentă cristalină , iar granița dintre heliul solid și lichid este dificil de detectat, deoarece indicii lor de refracție sunt apropiați. Densitatea heliului solid este foarte scăzută, este de 0,187 g / cm³ (mai puțin de 20% din densitatea gheții la -273 ° C ). Formarea solidului 3 He necesită o presiune și mai mare (29 atm) și o temperatură și mai scăzută (0,3 K). Densitatea sa este chiar mai mică.
Heliul-4 solid este caracterizat de un efect cuantic precum undele de cristalizare . Acest efect constă în oscilații slab amortizate ale limitei de fază „ cristal cuantic - lichid superfluid”. Oscilațiile apar cu o ușoară acțiune mecanică asupra sistemului „cristal-lichid”. Este suficient la o temperatură <0,5 K să agitați ușor dispozitivul, deoarece limita dintre cristal și lichid începe să oscileze ca și cum ar fi limita dintre două lichide.
Entropia și entalpia de fuziune a lui 4 He la temperaturi <1 K se transformă în 0.
Pentru 4 He, singonia principală este hexagonală ( hcp ). Diagrama de fază arată o regiune mică în care 4 He trece în sistemul cubic ( bcc ). La presiuni relativ ridicate (1000 atm) și o temperatură de ~15 K, apare o nouă fază cubică fcc .
În figură, denumirile fazelor:
La presiuni <100 atm 3 He cristalizează în sistemul cubic (bcc). Peste ~100 atm, solid 3 He trece într-o fază cu simetrie hexagonală (hcp). La fel și 4 He, 3 He la presiuni >1000 atm și ~15 K trece în faza cubică (fcc).
Sub 0,3 K, proprietățile termodinamice ale heliului-3 lichid și solid sunt neobișnuite prin aceea că, sub compresie adiabatică , heliul lichid se răcește și, odată cu creșterea compresiei, răcirea continuă până când faza lichidă se transformă într-un solid. Acest lucru se datorează contribuției semnificative a magnetismului nuclear al heliului-3 la entalpia sa. Efectul se numește răcire prin compresie a heliului-3. Acest comportament al heliului-3 a fost prezis teoretic de I. Ya. Pomeranchuk în 1950 și confirmat experimental de W. M. Fairbank și G. K. Walters ( 1957 ), Yu. D. Anufriev ( 1965 ). De atunci, răcirea adiabatică prin compresie a fost folosită în multe laboratoare. Această metodă face posibilă, pornind de la temperaturi scăzute menținute de un criostat de dizolvare , să se obțină temperaturi sub 0,003 K, suficient de scăzute pentru experimente cu heliu superfluid.
Curba de topire a lui 3 He la T < 0,3 K are o derivată negativă . Ca urmare, se observă un efect fizic neobișnuit pentru heliu-3. Dacă heliul-3 lichid, care se află la o temperatură de <0,01 K și o presiune de 30–33 atm, este încălzit, atunci la ~0,3–0,6 K lichidul va îngheța.
Heliul-3 solid se caracterizează și prin efectul cuantic al undelor de cristalizare , dar se manifestă la temperaturi <10 -3 K.
Suspiciunea că solidele pot avea și superfluiditate a fost exprimată cu destul de mult timp în urmă [1] , dar de mult timp nu au existat indicii experimentale ale unui astfel de fenomen.
În 2004, a fost anunțată descoperirea superfluidității în heliu solid . Această afirmație a fost făcută pe baza efectului unei scăderi neașteptate a momentului de inerție a unui pendul de torsiune cu heliu solid. Studiile ulterioare au arătat însă că situația este departe de a fi atât de simplă și, prin urmare, este încă prematur să vorbim despre descoperirea experimentală a acestui fenomen [2] [3] [4] [5] .
În prezent, nu există o teorie general acceptată care să explice și să descrie superfluiditatea în heliu solid. Totuși, se fac încercări de a construi o astfel de teorie [6] .
Într-o serie de articole care au urmat lucrării originale, s-a subliniat că scăderea anormală a momentului de inerție a probei ar putea avea și o altă origine [7] [8] . În 2005, au fost publicate rezultatele unor experimente independente, în care nu s-au observat manifestări ale componentei superfluide în heliu solid [9] . În 2012, într-o lucrare scrisă în colaborare cu autorul publicației originale , Moses Chan , s-a arătat că interpretarea efectului detectat ca o tranziție a heliului solid la o stare superfluid a fost eronată [10] [11] .