Pevné helium je stav hélia při teplotě blízké absolutní nule a tlaku mnohem vyšším než atmosférický tlak. Helium je jediný prvek , který netuhne, zůstává v kapalném stavu, při atmosférickém tlaku a libovolně nízké teplotě . Přechod do pevného skupenství je možný pouze při tlaku větším než 25 atm .
Poté , co se Heike Kamerling-Onnes v roce 1908 podařilo dosáhnout kondenzace hélia , pokusil se získat pevné helium. Odčerpáním par se mu podařilo dosáhnout bodu λ (1,4 K ). Během dalších deseti let výzkumu bylo možné klesnout na 0,8 K, ale helium zůstalo kapalné. A teprve v roce 1926 Willem Hendrik Keesom , student Kamerling-Onnes , dokázal získat 1 cm³ pevného hélia za použití nejen nízké teploty, ale také vysokého tlaku.
Mé experimenty, které umožnily získat helium v pevném skupenství, zcela jasně ukázaly, že přeměna hélia na pevné skupenství vyžaduje nejen teplotu, při které vnitroatomové síly překonávají tepelný pohyb do takové míry, že atomy mohou být seskupeny. do krystalové mřížky, ale je také zapotřebí , a vliv vnějšího tlaku, který musí být dostatečně vysoký, aby uvedl do pohybu vnitroatomové síly. Bez použití takového tlaku zůstává helium kapalné i při nejnižších dosažených teplotách, i když při určité teplotě může náhle přejít do nového kapalného stavu agregace.
— Z přednášky před Pátým mezinárodním kongresem o chlazení v Římě, 13. dubna 1928, Nature, 123, 847, 1928
Fyzikální vlastnosti helia:
| Vlastnictví | 4 On | 3He _ |
|---|---|---|
| Molární objem, cm³/mol (bcc) | 21,1 (1,6 tis.) | 24 (0,65 kB) |
| Minimální tlak tvorby (krystalizace), atm | 25 | 29 (0,3 tis.) |
| Hustota pevného helia, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Hustota kapalného helia, g/cm³ (0 K) | 0,145 | 0,08235 |
Pevné helium je krystalická průhledná látka a hranici mezi pevným a kapalným heliem je obtížné zjistit, protože jejich indexy lomu jsou blízko. Hustota pevného helia je velmi nízká, činí 0,187 g/cm³ (méně než 20 % hustoty ledu při -273 °C ). Vznik pevné látky 3 He vyžaduje ještě vyšší tlak (29 atm) a ještě nižší teplotu (0,3 K). Jeho hustota je ještě nižší.
Pevné helium-4 je charakterizováno takovým kvantovým efektem jako krystalizační vlny . Tento efekt spočívá ve slabě tlumených oscilacích fázové hranice " kvantový krystal - supratekutá kapalina". K oscilacím dochází při mírném mechanickém působení na systém "krystal-kapalina". Stačí při teplotě <0,5 K zařízením mírně zatřepat, protože hranice mezi krystalem a kapalinou začne kmitat, jako by to byla hranice mezi dvěma kapalinami.
Entropie a entalpie fúze 4 He při teplotách <1 K se změní na 0.
Pro 4 He je hlavní syngonie šestiúhelníková ( hcp ). Fázový diagram ukazuje malou oblast, kde 4 He přechází do kubické soustavy ( bcc ). Při relativně vysokých tlacích (1000 atm) a teplotě ~15 K se objevuje nová fcc krychlová fáze .
Označení fází na obrázku:
Při tlacích <100 atm 3 He krystalizuje v krychlové soustavě (bcc). Nad ~100 atm přechází pevná látka 3 He do fáze s hexagonální symetrií (hcp). Stejně jako 4 He, 3 He při tlacích >1000 atm a ~15 K přechází do kubické fáze (fcc).
Pod 0,3 K jsou termodynamické vlastnosti kapalného a pevného helia-3 neobvyklé v tom, že při adiabatické kompresi se kapalné helium ochlazuje a se zvyšující se kompresí chlazení pokračuje, dokud se kapalná fáze nezmění v pevnou látku. To je způsobeno významným příspěvkem jaderného magnetismu helia-3 k jeho entalpii. Tento efekt se nazývá kompresní chlazení helia-3. Toto chování helia-3 teoreticky předpověděl I. Ya Pomeranchuk v roce 1950 a experimentálně potvrdili W. M. Fairbank a G. K. Walters ( 1957 ), Yu.D. Anufriev ( 1965 ). Od té doby se adiabatické kompresní chlazení používá v mnoha laboratořích. Tato metoda umožňuje, počínaje nízkými teplotami udržovanými rozpouštěcím kryostatem , získat teploty pod 0,003 K, dostatečně nízké pro experimenty se supratekutým heliem.
Křivka tání 3 He při T < 0,3 K má zápornou derivaci . V důsledku toho je u helia-3 pozorován neobvyklý fyzikální účinek. Pokud se zahřeje kapalné helium-3, které má teplotu <0,01 K a tlak 30–33 atm, pak při teplotě ~0,3–0,6 K kapalina zmrzne.
Pevné helium-3 je také charakterizováno kvantovým efektem krystalizačních vln , ale projevuje se při teplotách <10 −3 K.
Podezření, že pevné látky mohou mít i supratekutost , bylo vysloveno již poměrně dávno [1] , ale dlouho neexistovaly žádné experimentální náznaky takového jevu.
V roce 2004 byl oznámen objev supratekutosti v pevném heliu. Toto tvrzení bylo vzneseno na základě efektu neočekávaného snížení momentu setrvačnosti torzního kyvadla s pevným heliem. Následné studie ale ukázaly, že situace zdaleka není tak jednoduchá, a proto je zatím předčasné hovořit o experimentálním objevu tohoto jevu [2] [3] [4] [5] .
V současné době neexistuje žádná obecně uznávaná teorie vysvětlující a popisující supratekutost v pevném heliu. Pokusy takovou teorii zkonstruovat však probíhají [6] .
V řadě článků, které navazovaly na původní práci, bylo poukázáno na to, že anomální pokles momentu setrvačnosti vzorku může mít i jiný původ [7] [8] . V roce 2005 byly publikovány výsledky nezávislých experimentů, ve kterých nebyly pozorovány žádné projevy supratekuté složky v pevném heliu [9] . V roce 2012 se v článku, jehož spoluautorem byl autor původní publikace Moses Chan , ukázalo, že interpretace zjištěného efektu jako přechodu pevného helia do supratekutého stavu byla chybná [10] [11] .