Fast helium er heliums tilstand ved en temperatur tæt på det absolutte nulpunkt og et tryk meget højere end atmosfærisk tryk. Helium er det eneste grundstof , der ikke størkner, forbliver i flydende tilstand, ved atmosfærisk tryk og vilkårlig lav temperatur . Overgangen til fast tilstand er kun mulig ved et tryk på mere end 25 atm .
Efter at det lykkedes Heike Kamerling-Onnes at opnå kondenseringen af helium i 1908 , forsøgte han at opnå fast helium. Ved at pumpe dampe ud lykkedes det ham at nå λ-punktet (1,4 K ). I løbet af de næste ti års forskning var det muligt at falde til 0,8 K, men helium forblev flydende. Og først i 1926 var Willem Hendrik Keesom , en elev af Kamerling-Onnes , i stand til at opnå 1 cm³ fast helium ved hjælp af ikke kun lav temperatur, men også højt tryk.
Mine eksperimenter, som gjorde det muligt at opnå helium i fast tilstand, viste ganske tydeligt, at omdannelsen af helium til en fast tilstand ikke kun kræver en temperatur, ved hvilken intraatomare kræfter overvinder termisk bevægelse i en sådan grad, at atomer kan grupperes ind i et krystalgitter, men det kræves også , og effekten af ydre tryk, som skal være høj nok til at sætte intraatomare kræfter i gang. Uden påføring af et sådant tryk forbliver helium flydende selv ved de lavest opnåede temperaturer, selvom det ved en eller anden temperatur pludselig kan ændre sig til en ny flydende aggregeringstilstand.
— Fra et foredrag holdt før den femte internationale kongres om køling i Rom, 13. april 1928, Nature, 123, 847, 1928
Heliums fysiske egenskaber:
| Ejendom | 4 Han | 3 Han _ |
|---|---|---|
| Molært volumen, cm³/mol (bcc) | 21,1 (1,6K) | 24 (0,65 K) |
| Minimum dannelsestryk (krystallisation), atm | 25 | 29 (0,3K) |
| Massefylde af fast helium, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Densitet af flydende helium, g/cm³ (0 K) | 0,145 | 0,08235 |
Fast helium er et krystallinsk gennemsigtigt stof, og grænsen mellem fast og flydende helium er svær at påvise, da deres brydningsindeks er tæt på. Massefylden af fast helium er meget lav, den er 0,187 g / cm³ (mindre end 20% af densiteten af is ved -273 ° C ). Dannelsen af fast 3 He kræver et endnu højere tryk (29 atm) og en endnu lavere temperatur (0,3 K). Dens tæthed er endnu lavere.
Fast helium-4 er karakteriseret ved en sådan kvanteeffekt som krystallisationsbølger . Denne effekt består i svagt dæmpede svingninger af fasegrænsen " kvantekrystal - superfluid væske". Oscillationer forekommer med en let mekanisk påvirkning på "krystal-væske"-systemet. Det er nok ved en temperatur <0,5 K at ryste apparatet lidt, da grænsen mellem krystallen og væsken begynder at svinge, som om den var grænsen mellem to væsker.
Entropien og entalpien for fusion af 4 He ved temperaturer <1 K bliver til 0.
For 4 He er hovedsyngonien sekskantet ( hcp ). Fasediagrammet viser et lille område, hvor 4 He går over i det kubiske system ( bcc ). Ved relativt høje tryk (1000 atm) og en temperatur på ~15 K fremkommer en ny fcc kubisk fase .
På figuren er fasebetegnelser:
Ved tryk <100 atm 3 krystalliserer han i det kubiske system (bcc). Over ~100 atm, fast 3 Han går over i en fase med hexagonal symmetri (hcp). Samt 4 He, 3 He ved tryk >1000 atm og ~15 K går over i den kubiske fase (fcc).
Under 0,3 K er de termodynamiske egenskaber af flydende og fast helium-3 usædvanlige, idet flydende helium under adiabatisk kompression afkøles, og med stigende kompression fortsætter afkølingen, indtil den flydende fase bliver til et fast stof. Dette skyldes det betydelige bidrag fra helium-3's kernemagnetisme til dets entalpi. Effekten kaldes kompressionskøling af helium-3. Denne adfærd af helium-3 blev teoretisk forudsagt af I. Ya. Pomeranchuk i 1950 og eksperimentelt bekræftet af W. M. Fairbank og G. K. Walters ( 1957 ), Yu. D. Anufriev ( 1965 ). Siden da er adiabatisk kompressionskøling blevet brugt i mange laboratorier. Denne metode gør det muligt, startende fra lave temperaturer, der opretholdes af en opløsningskryostat , at opnå temperaturer under 0,003 K, lave nok til eksperimenter med superfluid helium.
Smeltekurven for 3 He ved T < 0,3 K har en negativ afledt . Som et resultat observeres en usædvanlig fysisk effekt for helium-3. Hvis flydende helium-3, som har en temperatur på <0,01 K og et tryk på 30-33 atm, opvarmes, så fryser væsken ved ~0,3-0,6 K.
Fast helium-3 er også karakteriseret ved kvanteeffekten af krystallisationsbølger , men det manifesterer sig ved temperaturer <10 −3 K.
Mistanken om, at faste stoffer også kan have superfluiditet , blev udtrykt for ret længe siden [1] , men længe var der ingen eksperimentelle indikationer på et sådant fænomen.
I 2004 blev opdagelsen af superfluiditet i fast helium annonceret. Denne påstand blev fremsat baseret på virkningen af et uventet fald i inertimomentet af et torsionspendul med fast helium. Efterfølgende undersøgelser har dog vist, at situationen langt fra er så enkel, og derfor er det stadig for tidligt at tale om den eksperimentelle opdagelse af dette fænomen [2] [3] [4] [5] .
På nuværende tidspunkt er der ingen generelt accepteret teori, der forklarer og beskriver superfluiditet i fast helium. Der gøres dog forsøg på at konstruere en sådan teori [6] .
I en række artikler, der fulgte efter det originale arbejde, blev det påpeget, at det unormale fald i prøvens inertimoment også kunne have en anden oprindelse [7] [8] . I 2005 blev resultaterne af uafhængige eksperimenter offentliggjort, hvor der ikke blev observeret nogen manifestationer af den superflydende komponent i fast helium [9] . I 2012 blev det vist i et papir med forfatteren af den originale publikation , Moses Chan , at fortolkningen af den detekterede effekt som en overgang af fast helium til en superflydende tilstand var fejlagtig [10] [11] .