ГЕ́ЛИЙ ТВЁРДЫЙ

ГЕ́ЛИЙ ТВЁРДЫЙ, ге­лий в кри­стал­лич. со­стоя­нии; су­ще­ст­ву­ет толь­ко при дос­та­точ­но вы­со­ких дав­ле­ни­ях (см. рис. к ст. Ге­лий жид­кий). Из­вест­ны три ус­той­чи­вые кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ции ⁴Не: гек­са­го­наль­ная плот­но­упа­ко­ван­ная при дав­ле­ни­ях вы­ше 2,5 МПа; ку­би­че­ская объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ная в уз­кой об­лас­ти диа­грам­мы со­стоя­ния, при­мы­каю­щей к кри­вой плав­ле­ния в ин­тер­ва­ле темп-р 1,46-1,77 К, и ку­би­че­ская гра­не­цен­три­ро­ван­ная при темп-рах T>14,6 К и дав­ле­ни­ях вы­ше 105 МПа. Для Г. т. ха­рак­тер­ны низ­кая плот­ность (до 190 кг/м³) и вы­со­кая сжи­мае­мость (до 3,5·10^–8 Па^–1). Г. т. об­на­ру­жи­ва­ет вы­со­кую пла­стич­ность, пре­дел те­ку­че­сти при сдви­го­вых де­фор­ма­ци­ях по­ряд­ка 10³ Па. По оп­тич. свой­ст­вам Г. т., 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. Г. т. – ди­элек­трик, элек­трич. проч­ность его дос­ти­га­ет 10⁷ В/см. К осо­бен­но­стям Г. т. сле­ду­ет от­не­сти низ­кие зна­че­ния Де­бая тем­пе­ра­ту­ры (до 25 К) и срав­ни­тель­но боль­шую роль ан­гар­мо­низ­ма те­п­ло­вых ко­ле­ба­ний (см. Ди­на­ми­ка кри­стал­ли­че­ской ре­шёт­ки). Кро­ме то­го, в Г. т., как и в жид­ком, прак­ти­че­ски нерас­тво­ри­мы при­ме­си, за ис­клю­че­ни­ем лёг­ко­го изо­то­па ³Не.

Боль­шая ам­пли­ту­да ко­ле­ба­ний ато­мов Г. т. при Т=0 К (ну­ле­вых ко­ле­ба­ний) при­во­дит к не­ус­той­чи­во­сти его кри­стал­лич. со­стоя­ния при дав­ле­ни­ях ни­же 2,5 МПа и обу­слов­ли­ва­ет др. не­обыч­ные свой­ст­ва Г. т., что по­зво­ля­ет от­не­сти его к осо­бо­му клас­су твёр­дых тел – к т. н. кван­то­вым кри­стал­лам, ко­то­рые от­ли­ча­ют­ся пре­ж­де все­го не­обыч­ным ха­рак­те­ром дви­же­ния то­чеч­ных де­фек­тов (напр., ва­кан­сий). В обыч­ных кри­стал­лах при дос­та­точ­но низ­ких темп-рах та­кие де­фек­ты ока­зы­ва­ют­ся «за­мо­ро­жен­ны­ми» в оп­ре­де­лён­ных по­ло­же­ни­ях в кри­стал­лич. ре­шёт­ке. В Г. т. су­ще­ст­вен­но от­лич­на от ну­ля ве­ро­ят­ность кван­то­во­го тун­не­ли­ро­ва­ния де­фек­та, напр. 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, т. е. дви­жет­ся как ква­зи­ча­сти­ца, об­ла­даю­щая оп­ре­де­лён­ной энер­ги­ей и ква­зи­им­пуль­сом (см. Ва­кан­си­он, Де­фек­тон). Про­цес­сы диф­фу­зии та­ких де­фек­тов от­ли­ча­ют­ся от обыч­ной клас­сич. диф­фу­зии (см. 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 Г. т., обу­слов­лен­ных пе­рио­дич. плав­ле­ни­ем и кри­стал­ли­за­ци­ей. Эти т. н. кри­стал­ли­за­ци­он­ные вол­ны во мно­гом ана­ло­гич­ны ка­пил­ляр­ным вол­нам на по­верх­но­сти жид­ко­сти.

Твёр­дый ³Не так­же из­вес­тен в трёх кри­стал­лич. мо­ди­фи­ка­ци­ях: объ­ём­но­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской (при дав­ле­ни­ях 2,9-13,5 МПа и темп-рах Т<3,1 К), гек­са­го­наль­ной плот­но­упа­ко­ван­ной (при бо­лее вы­со­ких дав­ле­ни­ях и темп-рах) и гра­не­цен­три­ро­ван­ной ку­би­че­ской (при дав­ле­нии вы­ше 161 МПа и Т⩾18 К). Фи­зич. свой­ст­ва твёр­до­го ³Не ана­ло­гич­ны свой­ст­вам твёр­до­го ⁴Не. От­ли­чия обу­слов­ле­ны гл. обр. на­ли­чи­ем спи­на I=¹/₂ у яд­ра ³Не. При не слиш­ком низ­ких темп-рах твёр­дый ³Не – ядер­ный па­ра­маг­не­тик с вос­при­им­чи­во­стью, под­чи­ня­ю­щей­ся Кю­ри – Вей­са за­ко­ну (см. 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 Rln2 (R – уни­вер­саль­ная га­зо­вая по­сто­ян­ная). Это при­во­дит к на­ли­чию глу­бо­ко­го ми­ни­му­ма на кри­вой плав­ле­ния при Т=0,32 К. По­это­му кри­стал­ли­за­ция ³Не при Т<0,32 К в адиа­ба­тич. ус­ло­ви­ях вы­зы­ва­ет по­ни­же­ние темп-ры (По­ме­ран­чу­ка эф­фект). Эф­фект По­ме­ран­чу­ка ле­жит в ос­но­ве од­но­го из наи­бо­лее эф­фек­тив­ных ме­то­дов по­лу­че­ния темп-р по­ряд­ка 1 мК (см. Низ­кие тем­пе­ра­ту­ры).