Кристаллы гелия вырастили в невесомости

Группа японских физиков решила вырастить кристаллы в условиях нулевой гравитации. Они сумели преодолеть лабораторные ограничения, существующие для своеобразной динамики выращивания кристаллов гелия. Результаты этого эксперимента представлены в Институте физики и опубликованы Новом физическом журнале Немецкого общества физиков. Они помогут ученым выявить некоторые фундаментальные физические аспекты создания таких кристаллов, а также явления, которые обычно скрыты из-за влияния силы тяжести.

Сначала кристаллы были выращены с использованием сверхвысоких давлений и сверхнизких температур (-272 градуса по Цельсию), потом их сбрызгивали "каплями" того же гелия в сверхтекучем состоянии. Твердый гелий, как ни парадоксально эту звучит, обнаруживает свойства сверхтекучей жидкости. Сверхтекучесть – особое состояние квантовой материи, когда она ведет себя как жидкость, но при этом обладает нулевой вязкостью. Сверхтекучее вещество также может проходить через тончайшие зазоры совершенно без трения.

Ведущий автор исследования, профессор Рюдзи Номура, сказал: "Кристаллы гелия могут очень быстро вырастать из сверхтекучей материи. Это идеальный материал для изучения фундаментальных свойств таких кристаллов, поскольку они образуются очень и очень быстро".

Обычным классическим кристаллам могут потребоваться тысячи лет для того, чтобы принять окончательную форму. Гелий же при низких температурах образует кристалл за секунду. Однако когда кристаллы гелия растут при наличии гравитации, они легко деформируются.

Чтобы не использовать дорогостоящую космическую технику, ученые использовали для экспериментов небольшой реактивный самолет. На определенных траекториях, в параболическом полете, самолет находится в условиях невесомости в течение 20 секунд. За 20 часов полетов ученые сумели провести восемь экспериментов.

На борту самолета установили небольшой специальный лабораторный холодильник. Большие кристаллы гелия размещали в его нижней камере высокого давления, а затем дробили их акустической волной, чтобы разрушить на мелкие кусочки. Потом брызгали сверхтекучим гелием-4. После этого кристаллики меньшего размера плавились, а крупные же быстро росли, достигая 10 мм.

Образование кристаллов происходило благодаря процессу, известному как Оствальдовское созревание. В быту мы наблюдаем нечто подобное у мороженого – оно становится твердым и хрустящим со временем, когда более крупные кристаллы льда растут за счет мелких кристалликов. Однако Оствальдовское созревание – процесс медленный и никогда ранее не был замечен в процессе выращивания таких больших кристаллов за такой короткий период времени.