MELTING AND SOLIDIFICATION OF HELIUM IN RESTRICTED GEOMETRIES

Résumé
Les processus de fusion et de solidification sont dans une large mesure déterminés par les conditions microscopiques à l'interface liquide-solide. Des calculs théoriques et certaines observations optiques directes suggèrent que l'interface dans le cas de l'hélium a une épaisseur de plusieurs couches atomiques. Dans nos propres expériences sur la solidification de ³He à basse température (≲ 100 mK) dans une géométrie restreinte (verre poreux du type Vycor présentant des trous de diamètre ~ 70 Å), nous avons utilisé le processus de solidification adiabatique qui crée le refroidissement de ³He (effet Pomeranchuk) pour la mesure des changements d'entropie et de volume en fonction de la pression et de la température à 2/3 bar à l'intérieur de la courbe de fusion. Nous avons aussi effectué des mesures d'aimantation. Les observations montrent que la géométrie restreinte fournie par le substrat de verre solide à grande surface peut avoir un effet important : en particulier ceci conduit à une phase de forte densité (supérieure à celle du solide) et de forte entropie qui, bien que désordonnée, est probablement mobile. Une telle situation pourrait aussi représenter l'interface entre l'hélium liquide dans le récipient et l'hélium solide et nous comparons nos mesures avec d'autres qui donnent des indications indirectes sur la nature de cette interface.

Abstract
The processes of melting and solidification are determined to a large extent by microscopic conditions at the liquid-solid interface. Theoretical calculations and some direct optical observations suggest that the interface for helium is several atomic layers thick. In our own experiments on the solidification of ³He at low temperatures (≲ 100 mK) within a restricted geometry (Vycor porous glass with pore diameter ~ 70Å), we have made use of the adiabatic solidification process for cooling ³He itself (Pomeranchuk effect) to make measurements of entropy and volume changes as a function of pressure and temperature within 2/3 bar of the melting curve. Measurements of magnetisation have also been made. The observations show that the restricted geometry provided by the high surface-area solid glass substrate can have a profound effect : in particular, it induces a high density (ρ > solid), high entropy phase which, although disordered, is probably mobile. Such a situation may also be representative of the interface between bulk liquid and solid helium, and we compare our measurements with others which give indirect evidence of the nature of this interface.