El helio sólido es el estado del helio a una temperatura cercana al cero absoluto y una presión muy superior a la presión atmosférica. El helio es el único elemento que no solidifica, permaneciendo en estado líquido , a presión atmosférica y temperatura arbitrariamente baja . La transición a un estado sólido solo es posible a una presión de más de 25 atm .
Después de que Heike Kamerling-Onnes lograra la condensación del helio en 1908 , intentó obtener helio sólido. Bombeando vapores, logró alcanzar el punto λ (1,4 K ). Durante los siguientes diez años de investigación, fue posible bajar a 0,8 K, pero el helio permaneció líquido. Y solo en 1926, Willem Hendrik Keesom , un alumno de Kamerling-Onnes , pudo obtener 1 cm³ de helio sólido usando no solo baja temperatura, sino también alta presión.
Mis experimentos, que hicieron posible obtener helio en estado sólido, mostraron claramente que la transformación del helio en estado sólido requiere no solo una temperatura a la que las fuerzas intraatómicas superen el movimiento térmico hasta tal punto que los átomos puedan agruparse en una red cristalina, pero también se requiere, y el efecto de la presión externa, que debe ser lo suficientemente alta como para poner en movimiento las fuerzas intraatómicas. Sin la aplicación de tal presión, el helio permanece líquido incluso a las temperaturas más bajas alcanzadas, aunque a cierta temperatura puede cambiar repentinamente a un nuevo estado líquido de agregación.
— De una conferencia pronunciada ante el Quinto Congreso Internacional sobre Refrigeración en Roma, 13 de abril de 1928, Nature, 123, 847, 1928
Propiedades físicas del helio:
| Propiedad | 4 el | 3Él _ |
|---|---|---|
| Volumen molar, cm³/mol (bcc) | 21.1 (1.6K) | 24 (0,65K) |
| Presión mínima de formación (cristalización), atm | 25 | 29 (0.3K) |
| Densidad del helio sólido, g/cm³ | 0,187 (0 K, 25 atm) | |
| Densidad del helio líquido, g/cm³ (0 K) | 0.145 | 0.08235 |
El helio sólido es una sustancia transparente cristalina , y el límite entre el helio sólido y el líquido es difícil de detectar, ya que sus índices de refracción son cercanos. La densidad del helio sólido es muy baja, es de 0,187 g/cm³ (menos del 20% de la densidad del hielo a -273 °C ). La formación de 3 He sólido requiere una presión aún más alta (29 atm) y una temperatura aún más baja (0,3 K). Su densidad es aún menor.
El helio-4 sólido se caracteriza por un efecto cuántico como las ondas de cristalización . Este efecto consiste en oscilaciones débilmente amortiguadas del límite de fase " cristal cuántico - líquido superfluido". Las oscilaciones ocurren con una ligera acción mecánica en el sistema "cristal-líquido". A una temperatura <0,5 K basta con agitar ligeramente el dispositivo, ya que la frontera entre el cristal y el líquido comienza a oscilar como si fuera la frontera entre dos líquidos.
La entropía y la entalpía de fusión de 4 He a temperaturas <1 K se vuelven 0.
Para 4 He, la singonía principal es hexagonal ( hcp ). El diagrama de fase muestra una pequeña región donde 4 He pasa al sistema cúbico ( bcc ). A presiones relativamente altas (1000 atm) y una temperatura de ~15 K, aparece una nueva fase cúbica fcc .
En la figura, designaciones de fase:
A presiones <100 atm 3 El cristaliza en el sistema cúbico (bcc). Por encima de ~100 atm, el sólido 3 He pasa a una fase con simetría hexagonal (hcp). Así como 4 He, 3 He a presiones >1000 atm y ~15 K pasa a la fase cúbica (fcc).
Por debajo de 0,3 K, las propiedades termodinámicas del helio-3 líquido y sólido son inusuales porque, bajo compresión adiabática , el helio líquido se enfría y, al aumentar la compresión, el enfriamiento continúa hasta que la fase líquida se convierte en sólida. Esto se debe a la importante contribución del magnetismo nuclear del helio-3 a su entalpía. El efecto se llama enfriamiento por compresión de helio-3. Este comportamiento del helio-3 fue predicho teóricamente por I. Ya. Pomeranchuk en 1950 y confirmado experimentalmente por W. M. Fairbank y G. K. Walters ( 1957 ), Yu. D. Anufriev ( 1965 ). Desde entonces, el enfriamiento por compresión adiabática se ha utilizado en muchos laboratorios. Este método permite, a partir de bajas temperaturas mantenidas por un criostato de disolución , obtener temperaturas inferiores a 0,003 K, lo suficientemente bajas para experimentos con helio superfluido.
La curva de fusión de 3 He a T < 0,3 K tiene una derivada negativa . Como resultado, se observa un efecto físico inusual para el helio-3. Si se calienta helio-3 líquido, que está a una temperatura de <0,01 K y una presión de 30–33 atm, entonces a ~0,3–0,6 K el líquido se congelará.
El helio-3 sólido también se caracteriza por el efecto cuántico de las ondas de cristalización , pero se manifiesta a temperaturas <10 −3 K.
La sospecha de que los sólidos también pueden tener superfluidez se expresó hace mucho tiempo [1] , pero durante mucho tiempo no hubo indicaciones experimentales de tal fenómeno.
En 2004 se anunció el descubrimiento de la superfluidez en el helio sólido . Esta afirmación se hizo con base en el efecto de una disminución inesperada en el momento de inercia de un péndulo de torsión con helio sólido. Estudios posteriores han demostrado, sin embargo, que la situación está lejos de ser tan simple, y por lo tanto aún es prematuro hablar del descubrimiento experimental de este fenómeno [2] [3] [4] [5] .
En la actualidad, no existe una teoría generalmente aceptada que explique y describa la superfluidez en el helio sólido. Sin embargo, se están realizando intentos de construir tal teoría [6] .
En una serie de artículos que siguieron al trabajo original, se señaló que la disminución anómala del momento de inercia de la muestra también podría tener un origen diferente [7] [8] . En 2005, se publicaron los resultados de experimentos independientes, en los que no se observaron manifestaciones del componente superfluido en helio sólido [9] . En 2012, en un artículo en coautoría del autor de la publicación original , Moses Chan , se demostró que la interpretación del efecto detectado como una transición del helio sólido a un estado superfluido era errónea [10] [11] .