Фізики з Іспанії та Франції вперше побачили «післяйні» фазові переходи першого роду, що супроводжують зростання гелієвої плівки на поверхні графіту. Для цього вчені замінили звичайний графіт вуглецевою нанотрубкою - це дозволило позбутися забруднень і дефектів поверхні, а також вхопити момент утворення нового шару за резонансною частотою коливань трубки. Стаття опублікована в, коротко про неї повідомляє, препринт роботи викладено на сайті arXiv.org.
Близько двадцяти років тому фізики виявили, що поверхня графіту, поміщеного в гелієву атмосферу при низькій температурі, покривається тонкою плівкою надплинного рідкого гелію. Більш точні експерименти показали, що товщина шару становить всього кілька атомів, тобто плівка, що вийшла, є ефективно почесною системою. Вже саме по собі це відкриття було важливим: зокрема, воно дозволило перевірити теорію Березинського - Костерліца - Таулесса, яка передбачала, що тонкі плівки стають надплинними завдяки топологічним фазовим переходам. Без такої експериментальної перевірки теоретики навряд чи б отримали Нобелівську премію з фізики.
Крім того, виявилося, що плівка рідкого гелію нарощує товщину поступово, шар за шаром. Незабаром після цього відкриття група теоретиків на чолі з Бредфордом Клеменцом (Bradford Clements) показала, що «післяйні» переходи відносяться до фазових переходів першого роду, тобто товщина шару як функція тиску парів гелію змінюється стрибкоподібно. На жаль, перевірити це передбачення досі не вдалося. Ймовірно, ці невдачі можна списати на дефекти графітової поверхні, на якій росте гелієва плівка. Насправді, у всіх попередніх експериментах вчені використовували не «чисті» аркуші графіту, а штучно збільшені, спресовані з декількох «чистих» аркушів. Це дозволяло отримати більшу площу і спростити зростання гелієвої плівки, однак істотно збільшувало кількість дефектів поверхні (спресовані листи складалися з невеликих кристалічних майданчиків площею близько ста квадратних нанометрів). Оскільки такі дефекти згладжували різкі переходи, товщина шару залежала від тиску парів як безперервна функція.
Група дослідників під керівництвом Адріана Бахтольда (Adrian Bachtold) придумала, як усунути цей недолік, і підтвердила стрибкоподібне зростання товщини гелієвої плівки. Замість графітових аркушів вчені використовували вуглецеві нанотрубки - згорнуті в циліндр аркуші графена. З одного боку, поверхня нанотрубки не відрізняється від поверхні графіту, тобто гелієвий шар на ній утворюється в тих же умовах. З іншого боку, завдяки «чистоті» аркуша, з якого згорнута нанотрубка, зростання плівки не буде затінятися побічними ефектами. Крім того, товщину шару, нарослого на нанотрубці, зручно вимірювати, спостерігаючи за частотою її коливань: чим товщий шар, тим інертніша трубка і тим повільніше вона коливається. Тому нанотрубки ідеально підходять для вивчення «післяйних» фазових переходів.
В експерименті вчені працювали з нанотрубками діаметром три нанометри і довжиною 1,1 мікрометра, «приклеєними» до платинових електродів силами Ван-дер-Ваальса. Щоб очистити трубку від поверхневих забруднень, фізики «пропалювали» її великим струмом (силою близько шести мікроампер) при низькій температурі (20 мілікельвін). Частоту коливань трубки, прикріпленої до електродів, дослідники вимірювали електрично, тобто пропускали через неї змінний струм із заданою частотою і відстежували резонанс. Добротність такої коливальної системи (відношення висоти резонансу до його ширини) досягала 2 ст.1 105. Потім дослідники впорскували в експериментальний осередок газоподібний гелій при кімнатній температурі і охолоджували систему до декількох кельвінів. Тиск пара вчені могли контролювати в діапазоні між 10 ‑ 4 і 3 ст.110 ‑ 3 атмосфер. Нагадаємо, що тиск і концентрація атомів гелію при фіксованій температурі однозначно пов'язані, тобто збільшення тиску еквівалентно «впорскуванню» в систему нових атомів. Нарешті, використовуючи нескладну формулу, вчені перераховували резонансну частоту коливань нанотрубки в товщину нарослого на ній гелієвого шару.
В результаті вчені підтвердили, що товщина гелієвого шару збільшується при зростанні тиску не безперервно, а стрибкоподібно. Всього фізикам вдалося простежити за послідовним утворенням п'яти атомних шарів, тобто вхопити чотири стрибки. При завершенні кожного шару резонансна частота різко падала вниз. Це вказувало на витратність стисканості плівки і, отже, на зникнення швидкості звуку в гелієвому шарі. Це узгоджується з теоретичними передбаченнями.
Автори статті зазначають, що плівки рідкого гелію, що утворилися на поверхні нанотрубки, мають одну важливу відмінність від плівок рідкого гелію на поверхні плоского листа графена: на них накладено періодичну граничну умову вздовж однієї з координат. Ця гранична умови змінює енергію взаємодії вихорів і в теорії може помітно спотворити картину фазового переходу Березинського - Костерліца - Таулесса. Зокрема, 2011 року група вчених під керівництвом Марії Гордільо (Maria Gordillo), одного зі співавторів нової статті, показала, що гелієвий шар з періодичною граничною умовою може перейти в стан надплинного твердого тіла (supersolid). У майбутньому фізики планують детально досліджувати ці ефекти.
Незважаючи на те, що Петро Капіца відкрив надплинність рідкого гелію ще в 1938 році, фізики досі знаходять у цій речовині нові цікаві ефекти. Наприклад, у травні минулого року японські дослідники вперше розгледіли в рідкому гелії-3 хіральні доменні стінки, що нагадують доменні стінки в старанному металі. А минулого тижня фізики з США і Франції побудували першу експериментальну установку, на якій можна вивчати квантові оптомеханічні ефекти в рідинах, а не в газах або твердих тілах. За допомогою цієї установки вчені досліджували нульові коливання і квантовий ефект зворотної дії в надплинному гелії-4.