Рідкий гелій

Фізичні властивості гелію у ізотопів ⁴He і ³He мають великі відмінності:

Рідкий гелій — квантова рідина, тобто рідина, частинки якої є бозонами.

Вище температури 2,17 К гелій-4 веде себе як звичайна кріорідина, тобто кипить, виділяючи бульбашки газу. При досягненні температури 2,17 К (при тиску пари 0,005 МПа — так звана λ-точка) рідкий ⁴Не зазнає фазовий перехід другого роду, що супроводжується різкою зміною ряду властивостей: теплоємності, в'язкості, густини та інших. У рідкому гелії при температурі нижче температури переходу одночасно співіснують дві фази, Не I і Не II, з властивостями, що сильно відрізняються. Стан рідини в фазі гелію-II деякою мірою аналогічно стану бозе-конденсату (проте, на відміну від конденсату атомів розрідженого газу, взаємодія між атомами гелію в рідини досить сильно, тому теорія бозе-конденсату непридатна прямо до гелію-II).

Надплинність і надтеплопровідність

Фазова діаграма гелію-4

Для He II характерна надплинність — здатність протікати без тертя через вузькі (діаметром менше 100 нм) капіляри і щілини. Відносний вміст He II зростає з пониженням температури і досягає 100 % при абсолютному нулі температури — з цим були пов'язані спроби отримання наднизьких температур шляхом пропускання рідкого гелію через дуже тонкий капіляр, через який пройде тільки надплинна компонента. Однак за рахунок того, що при близьких до абсолютного нуля температурах теплоємність також прагне до нуля, домогтися істотних результатів не вдалося — за рахунок неминучого нагріву від стінок капіляра і випромінювання.

За рахунок надплинності і досягається аномально висока теплопровідність рідкого гелію — теплопередача йде не за рахунок теплопровідності, а за рахунок конвекції надплинної компоненти в протитечія нормальної, яка переносить тепло (надплинна компонента не може переносити тепло). Цю властивість відкрито в 1938 році П. Л. Капицею.

Гелію в проміжному стані між цими двома в природі не існує: або він при абсолютному нулі, або він в іншому стані, нормальному. Гелій в надплинному стані не може тиснути на заслінку, та загалом надплинна рідина не може виробляти ніякого тиску, оскільки це рідина, в'язкість якої дорівнює нулю, - ми її динамічними методами виявити не можемо. П. Л. Капиця[2]

Фазова діаграма гелію-3

Рідкий гелій-3 — це фермі-рідина, тобто рідина, частинки якої є ферміони. У таких системах надплинність може здійснюватися за певних умов, коли між ферміонами є сили тяжіння, які призводять до утворення зв'язаних станів пар ферміонів — так званих куперівських пар (ефект Купера).

Куперівська пара володіє цілим спіном, тобто поводиться як бозон; тому речовина, що складається з об'єднаних в куперівські пари ферміонів, може переходити в стан, подібний до бозе-конденсату. Надплинність такого роду здійснюється для електронів в деяких металах і носить назву надпровідності.

Аналогічна ситуація має місце в рідкому ³He, атоми якого мають спін ½ і утворюють типову квантову фермі-рідину. Властивості рідкого гелію-3 можна описати як властивості газу квазічастинок-ферміонів з ефективною масою приблизно втричі більшою, ніж маса атома ³He. Сили тяжіння між квазічастинками в ³He дуже малі, лише при температурах порядку декількох мілікельвінів в ³He створюються умови для створення куперівських пар квазічастинок і виникнення надплинності.

Використання рідкого гелію в лабораторії Інституту фізики НАН України

Рідкий гелій застосовується як холодоагент для отримання і підтримки низьких і наднизьких температур (в основному в наукових дослідженнях):

• охолодження надпровідних магнітів в різних наукових, технічних і медичних пристроях, наприклад:
  • прискорювачі заряджених частинок
    • У Великому адронному колайдері в ЦЕРНі використовується 96 тонн рідкого гелію для охолодження 1 624 надпровідних магнітів до температури 1,9 K^{[джерело?]}
  • детектори інфрачервоного і високочастотного випромінювання, сквид-магнетометр;^{[уточнити]}
  • тунельні мікроскопи;