1

Los Alamos National Laboratory onderzoekers Alexander Balatsky en Matthias Graf hebben zich aangesloten bij Cornell University natuurkundige J.C. Séamus Davis en anderen in het beschrijven van een alternatieve verklaring voor het gedrag van helium-4 dat wetenschappers bijna 40 jaar deed geloven dat de stof tegelijkertijd eigenschappen van een vloeistof en een vaste stof kon hebben wanneer afgekoeld tot nabij Absolute Nul.

Helium-4 is hetzelfde gas dat wordt gebruikt om carnavalsballonnen te vullen. Bij afkoeling tot temperaturen beneden -452 graden onder nul Fahrenheit, wordt helium-4 een vloeistof — en een buitengewone vloeistof. Bij zeer lage temperaturen kan helium-4 een “superfluïde” worden, een vloeistof zonder viscositeit die ongehinderd door wrijving kan stromen.

Wanneer helium-4 atomen onder druk worden gezet bij deze lage temperaturen, rangschikken ze zich in een ordelijk rooster, of vast lichaam, waarvan fysici bijna 40 jaar geleden al dachten dat het zich op een soortgelijke wrijvingsloze manier kon gedragen als een supervaste stof — een unieke theoretische toestand van materie waarin een bulkrooster van materiaal kan bewegen als een enkel wrijvingsloos voorwerp.

Fysici kwamen op het idee dat helium-4 een supersolide wordt nadat ze vloeibaar helium-4 heen en weer hadden laten oscilleren in een speciaal apparaat dat de rotatiesnelheid mat. Toen de onderzoekers deze bewegingen maten onder omstandigheden die een vaste vorm van helium-4 zouden induceren, merkten zij dat de oscillatiesnelheid iets toenam, alsof een deel van de massa was losgekomen en niet meer werd geremd door interactie met de rest van het materiaal. Dit effect werd geïnterpreteerd als bewijs van supersoliditeit, een fase waarin een deel van de massa van een vaste stof niet meebeweegt met de rest van het vaste rooster, maar vrij door het rooster stroomt.

Los Alamos-onderzoekers Balatsky en Graf stelden dat het effect door een geheel andere verklaring kon worden beschreven. Zij meenden dat de verandering in oscillatiesnelheid het gevolg zou kunnen zijn van het geleidelijk “bevriezen” van onvolkomenheden in het helium-4-rooster. Ter illustratie op een zeer eenvoudig niveau gebruikt Balatsky een roterend ei.

Een vers ei is een mengsel van dooier en albumen in een schaal. Wanneer een ei wordt rondgedraaid, resulteert de interactie van de vloeistof in de eierschaal in een relatief langzame rotatie. Als het ei echter bevroren is, bevriezen de onvolkomenheden in de schaal en draait het ei veel sneller rond – zoals de toename in oscillatiesnelheid die werd waargenomen in de vroege torsie-oscillatie-experimenten.

Om deze vereenvoudigde analogie te testen, bedachten Balatsky, Davis en collega’s een experiment met een torsie-oscillator die 10.000 maal gevoeliger was dan die welke in eerdere experimenten werd gebruikt. De onderzoekers keken naar de resultaten van het variëren van de temperatuur bij een constante oscillatiesnelheid versus de resultaten van het variëren van de oscillatiesnelheid bij een constante temperatuur. Zij vergeleken de microscopische excitaties in vast helium-4 onder beide omstandigheden en ontdekten dat de uitgezette curven vrijwel identiek waren.

Misschien nog belangrijker is dat de onderzoekers tijdens hun experimenten geen plotselinge, duidelijk waarneembare verandering zagen in de relaxatie van microscopische defecten bij een of andere “kritische temperatuur”. Het ontbreken van zo’n scherpe afbakening levert bewijs tegen een faseverandering van helium-4 naar een supersolide.

In plaats daarvan suggereert het dat het eerder waargenomen gedrag het resultaat was van alledaagse fysica en niet van een of ander exotisch gedrag.

“Hoewel dit experiment de mogelijkheid van de vorming van een supersolide in helium-4 niet definitief uitsluit, verzwakt het feit dat wij een redelijke alternatieve verklaring hebben gegeven voor het waargenomen gedrag in eerdere experimenten het argument dat wat werd waargenomen een faseverandering naar een supersolide was,” zei Balatsky.

Naast de Los Alamos-onderzoekers Balatsky en Graf, en de Cornell-fysicus Davis, zijn de co-auteurs van het artikel onder meer: Ethan Pratt, voorheen van Cornell, maar nu aan het National Institute of Standards and Technology; Ben Hunt en afgestudeerd student Vikram Gadagkar aan het Massachusetts Institute of Technology; en Minoru Yamashita aan de Kyoto University.