Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Благодаря этому крупному технологическому достижению перед исследователями открылись совершенно новые возможности для экспериментов. Охлаждая приборы жидким гелием, они наконец обрели возможность проводить эксперименты при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. В частности, Камерлинг-Оннес при температуре ниже 4 K обнаружил явление сверхпроводимости ртути (см. главу 24). А сейчас мы расскажем куда менее известную историю – о необычных механизмах переноса в жидком гелии электрических зарядов.

Электрические заряды в жидком гелии

В известных нам жидкостях всегда присутствуют электрические заряды, и они относительно подвижны. Так, в воде при комнатной температуре значительный процент молекул H₂O диссоциирует на ионы OH^– и H⁺ (на практике последний соединяется с молекулой воды с образованием иона H₃O⁺). В жидком гелии подобная диссоциация полностью отсутствует и «свободных» электрических зарядов нет. С очень высокой вероятностью все атомы находятся в их наинизшем энергетическом квантовом состоянии (см. главу 22, «От принципа неопределенности к радиусу атома»). Для того чтобы атом гелия перешел из основного состояния в возбужденное, необходимо затратить энергию E примерно в 20 эВ (1 эВ = 1,6∙10^–19 Джоулей). Согласно формуле Гиббса – Больцмана, вероятность того, что атом при температуре T находится в возбужденном состоянии с энергией E, равна exp [–E/(k_БT)], где k_Б – постоянная Больцмана (см. главу 7, «Формула Планка»). Однако жидкий гелий существует при нормальном давлении при температурах ниже 4,2 К. При такой температуре E/(k_БT) = 58 000, поэтому вероятность обнаружения возбужденного атома гелия составляет e^{–58 000}, что практически равно 0. Даже при комнатной температуре, как легко может убедиться читатель, вероятность нахождения возбужденного атома гелия ничтожна. Вероятность встречи с ионом (например, He⁺) тем более пренебрежимо мала.

Но при этом в жидкий гелий можно искусственно ввести с целью измерения очень низких токов различные носители заряда. Например, ядра гелия He²⁺, несущие положительный заряд, вводятся в него с помощью α-лучей (см. главу 13, «Элементы ядерной физики»). Подвергая поверхность гелия бомбардировке β-лучами, в него вводят несущие отрицательный заряд электроны.

Возникает вопрос: а зачем вообще нарушать нейтральность несчастного гелия? Оказывается, что эта затея поначалу приводит к неожиданным результатам, интригуя физиков, а затем радует их неожиданными объяснениями. Для начала расскажем о природе носителей положительного заряда, чью загадку разгадали первой, а затем и о еще более необычных носителях отрицательного заряда.

2. Локальное давление в зависимости от расстояния r до иона He⁺ при нулевом давлении (сплошная кривая) и при внешнем давлении P₀, равном 20 атм (пунктир). Пунктирную кривую получают путем смещения сплошной кривой по вертикали

Структура и эффективная масса носителя положительного заряда

Этими вопросами физики начали интересоваться в конце 50-х годов прошлого века. Они измеряли массу носителей заряда в жидком гелии, изучая их траектории в постоянном магнитном поле. Заряженная частица, движущаяся в магнитном поле с некоторой начальной скоростью, описывает спираль, радиус которой зависит от массы частицы. Результаты измерений оказались весьма неожиданными: в жидком гелии масса носителей как отрицательного, так и положительного заряда в десятки тысяч раз превышала массу свободного электрона! Еще одно удивительное открытие касалось подвижности ионов He⁺ в жидком гелии, то есть отношения их скорости к перемещающей их силе. Подвижность атомов изотопа гелия ³He в наиболее распространенном изотопе ⁴He на тот момент уже была известна, и ожидалось, что подвижность ионов He⁺ окажется того же порядка. Однако было обнаружено, что для ионов He⁺ эта величина примерно в 100 раз меньше. Как же объяснить эту новую причуду гелия?