Новости науки
18.06.01. Звук замораживает жидкость
Звуковая волна, распространяясь в жидкости, создает в ней
области повышенного и пониженного давления. Если интенсивность
волны достаточно велика, то вызываемые ею перепады давления
тоже значительны. В частности, долгое время существовало подозрение,
что достаточно высокое давление в фазе сжатия может
привести к локальной кристаллизации жидкости.
Экспериментально же этот эффект был обнаружен только сейчас,
и то в достаточно экзотической среде: в жидком гелии.
Группа французских исследователей описывает в работе
[X.Chavanne, S.Balibar, F.Caupin, Phys.Rev.Lett. 86, 5506 (2001)]
результаты экспериментов по "замораживанию" жидкого гелия
посредством сфокусированной звуковой волны.
В этих опытах звуковая волна настраиваемой мощности
распространялась в сосуде с жидким гелием, находящимся при
температуре 65 мК и статическом давлении 25.324 бара,
и фокусировалась вблизи хорошо отполированной стеклянной стенки.
В эту же точку фокусировался и контрольный лазерный луч.
Поскольку показатель преломления стекла постоянен
и отличается от показателя преломления жидкого гелия, то
на границе перехода гелий-стекло луч света частично отражался.
Измеряя мощность отраженного луча, экспериментаторы могли
таким образом определить и показатель преломления жидкого гелия,
а значит и его плотность.
Поскольку звуковая волна модулирует плотность гелия,
то она приводит и к колебаниям показателя преломления.
И действительно, пропуская через сосуд звуковую волну,
экспериментаторы видели почти чистую синусоидальную модуляцию
показателя преломления.
Однако, начиная с некоторой пороговой интенсивности звука,
показатель преломления испытывал в фазе сжатия скачок высоко над синусоидой.
Это должно было означать только одно: при такой интенсивности звука
в гелии происходят качественные изменения.
Было почти очевидно, что наблюдаемый эффект есть зарождение и
быстрый рост кристаллика твердой фазы при достижении критической
плотности. Последние сомнения развеялись, когда оказалось, что
значение плотности, до которого подпрыгивает кривая, очень близко
к плотности твердого гелия. Это, кстати, означает, что какие-то за
доли микросекунды кристаллический зародыш успевает вырасти до
размера сфокусированного лазерного пятна. Полученная таким образом
скорость роста кристаллика оказалась необычно большой, порядка 100
м/с.
Стоит отметить, что результаты этого эксперимента расходятся
с целым рядом опытов, проделанных другими группами.
В них было найдено, что кристаллизация
в жидком гелии возникает при повышении давления
всего на 3 мбар. В описываемом же эксперименте
затвердевания не наблюдалось, пока дополнительное звуковое
давление не превысило 4.7 бар, то есть, в тысячу раз больше.
Авторы объясняют это разногласие тем, что во всех предыдущих
опытах кристаллизация инициировалась не за счет высокого давления,
а из-за наличия дефектов стенок, примесных частиц и т.д.
В этой же работе впервые показано, что звук сам по себе может
заставлять жидкость образовывать зародыши твердой фазы.
Наконец, авторы замечают, что само по себе наблюдение
твердой фазы было возможным из-за аномально большой скорости
роста кристаллика (100 м/с). Ни в какой другой жидкости
скорость роста даже и близко не приближается к этому значению.
Такая специфика жидкого гелия связана с тем, что
высвобождающуюся в процессе роста кристалла энергию
требуется тут же куда-то отводить.
В нормальных жидкостях столь быстрый теплоотвод невозможен,
и потому скорость роста кристаллов мала.
В жидком же гелии из-за его сверхтекучей природы такой быстрый
теплоотвод может происходить, что и приводит к скорости
кристаллизации близкой к скорости звука.
Авторы признают, что наличие стенки все-таки помогает возникновению
кристаллического зародыша. Однако в планах этой исследовательской
группы провести аналогичный эксперимент, где зародыш возникал
бы в толще жидкости, вдали от стенок. Ожидается, что для этого потребуются
давления не менее 70 бар.
|