Физики впервые нарастили слой сверхтекучего гелия на углеродной нанотрубке

Физики из Испании и Франции впервые увидели «послойные» фазовые переходы первого рода, сопровождающие рост гелиевой пленки на поверхности графита. Для этого ученые заменили обычный графит углеродной нанотрубкой — это позволило избавиться от загрязнений и дефектов поверхности, а также ухватить момент образования нового слоя по резонансной частоте колебаний трубки. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Около двадцати лет назад физики обнаружили, что поверхность графита, помещенного в гелиевую атмосферу при низкой температуре, покрывается тонкой пленкой сверхтекучего жидкого гелия. Более точные эксперименты показали, что толщина слоя составляет всего несколько атомов, то есть получившаяся пленка является эффективно двумерной системой. Уже само по себе это открытие было важным: в частности, оно позволило проверить теорию Березинского — Костерлица — Таулесса, которая предсказывала, что тонкие пленки становятся сверхтекучими благодаря топологическим фазовым переходам. Без такой экспериментальной проверки теоретики вряд ли бы получили Нобелевскую премию по физике.

Кроме того, оказалось, что пленка жидкого гелия наращивает толщину постепенно, слой за слоем. Вскоре после этого открытия группа теоретиков во главе с Брэдфордом Клеменцом (Bradford Clements) показала, что «послойные» переходы относятся к фазовым переходам первого рода, то есть толщина слоя как функция давления паров гелия меняется скачкообразно. К сожалению, проверить это предсказание до сих пор не удалось. Вероятно, эти неудачи можно списать на дефекты графитовой поверхности, на которой растет гелиевая пленка. В самом деле, во всех предыдущих экспериментах ученые использовали не «чистые» листы графита, а искусственно увеличенные, спрессованные из нескольких «чистых» листов. Это позволяло получить бо́льшую площадь и упростить рост гелиевой пленки, однако существенно увеличивало число дефектов поверхности (спрессованные листы состояли из небольших кристаллических площадок площадью около ста квадратных нанометров). Поскольку такие дефекты сглаживали резкие переходы, толщина слоя зависела от давления паров как непрерывная функция.

Группа исследователей под руководством Адриана Бахтольда (Adrian Bachtold) придумала, как устранить этот недостаток, и подтвердила скачкообразный рост толщины гелиевой пленки. Вместо графитовых листов ученые использовали углеродные нанотрубки — свернутые в цилиндр листы графена. С одной стороны, поверхность нанотрубки не отличается от поверхности графита, то есть гелиевый слой на ней образуется в тех же условиях. С другой стороны, благодаря «чистоте» листа, из которого свернута нанотрубка, рост пленки не будет затеняться побочными эффектами. Кроме того, толщину слоя, наросшего на нанотрубке, удобно измерять, наблюдая за частотой ее колебаний: чем толще слой, тем инертнее трубка и тем медленнее она колеблется. Поэтому нанотрубки идеально подходят для изучения «послойных» фазовых переходов.

В эксперименте ученые работали с нанотрубками диаметром три нанометра и длиной 1,1 микрометра, «приклеенными» к платиновым электродам силами Ван-дер-Ваальса. Чтобы очистить трубку от поверхностных загрязнений, физики «прожигали» ее большим током (силой около шести микроампер) при низкой температуре (20 милликельвин). Частоту колебаний трубки, прикрепленной к электродам, исследователи измеряли электрически, то есть пропускали через нее переменный ток с заданной частотой и отслеживали резонанс. Добротность такой колебательной системы (отношение высоты резонанса к его ширине) достигала 2×10⁵. Затем исследователи впрыскивали в экспериментальную ячейку газообразный гелий при комнатной температуре и охлаждали систему до нескольких кельвинов. Давление пара ученые могли контролировать в диапазоне между 10⁻⁴ и 3×10⁻³ атмосфер. Напомним, что давление и концентрация атомов гелия при фиксированной температуре однозначно связаны, то есть увеличение давления эквивалентно «впрыскиванию» в систему новых атомов. Наконец, используя несложную формулу, ученые пересчитывали резонансную частоту колебаний нанотрубки в толщину наросшего на ней гелиевого слоя.

В результате ученые подтвердили, что толщина гелиевого слоя увеличивается при росте давления не непрерывно, а скачкообразно. Всего физикам удалось проследить за последовательным образованием пяти атомных слоев, то есть ухватить четыре скачка. При завершении каждого слоя резонансная частота резко падала вниз. Это указывало на расходимость сжимаемости пленки и, следовательно, на исчезновение скорости звука в гелиевом слое. Это согласуется с теоретическими предсказаниями.

Авторы статьи отмечают, что пленки жидкого гелия, образовавшиеся на поверхности нанотрубки, имеют одно важное отличие от пленок жидкого гелия на поверхности плоского листа графена: на них наложено периодическое граничное условие вдоль одной из координат. Это граничное условия изменяет энергию взаимодействия вихрей и в теории может заметно исказить картину фазового перехода Березинского — Костерлица — Таулесса. В частности, в 2011 году группа ученых под руководством Марии Гордильо (Maria Gordillo), одного из соавторов новой статьи, показала, что гелиевый слой с периодическим граничным условием может перейти в состояние сверхтекучего твердого тела (supersolid). В будущем физики планируют подробно исследовать эти эффекты.

Несмотря на то, что Петр Капица открыл сверхтекучесть жидкого гелия еще в 1938 году, физики до сих пор находят в этом веществе новые интересные эффекты. Например, в мае прошлого года японские исследователи впервые разглядели в жидком гелии-3 хиральные доменные стенки, напоминающие доменные стенки в намагниченном металле. А на прошлой неделе физики из США и Франции построили первую экспериментальную установку, на которой можно изучать квантовые оптомеханические эффекты в жидкостях, а не в газах или твердых телах. С помощью этой установки ученые исследовали нулевые колебания и квантовый эффект обратного действия в сверхтекучем гелии-4.

Дмитрий Трунин