1

Výzkumníci z Národní laboratoře v Los Alamos Alexander Balatsky a Matthias Graf se připojili k fyzikovi z Cornellovy univerzity J. C. Séamusovi Davisovi a dalším a popsali alternativní vysvětlení chování helia-4, které vedlo vědce téměř 40 let k přesvědčení, že tato látka může mít při ochlazení na hodnotu blízkou absolutní nule vlastnosti kapaliny i pevné látky zároveň.

Hélium-4 je stejný plyn, který se používá k plnění pouťových balónků. Při ochlazení na teplotu nižší než minus 452 stupňů pod nulou Fahrenheita se helium-4 stává kapalinou – a to mimořádnou kapalinou. Při velmi nízkých teplotách se helium-4 může stát „supratekutou“ kapalinou, kapalinou bez viskozity, která může proudit bez překážek způsobených třením.

Pokud jsou atomy helia-4 pod tlakem při těchto nízkých teplotách, uspořádají se do uspořádané mřížky neboli pevné látky, o které se fyzikové před téměř 40 lety domnívali, že by se mohla chovat podobně bez tření jako supratekutá látka – jedinečný teoretický stav hmoty, ve kterém by se objemná mřížka materiálu mohla pohybovat jako jediný objekt bez tření.

Fyzikové přišli na myšlenku, že helium-4 se stává supertvrdou látkou poté, co oscilovali kapalné helium-4 tam a zpět ve speciálním přístroji, který měřil rychlost otáčení. Když vědci měřili tyto pohyby za podmínek, které by vyvolaly vznik pevné formy helia-4, všimli si, že rychlost oscilací mírně vzrostla, jako by se některá část hmoty uvolnila a nebyla brzděna interakcí se zbytkem materiálu. Tento efekt byl interpretován jako důkaz supertvrdosti, což je fáze, ve které se část hmoty pevné látky nepohybuje se zbytkem pevné mřížky, ale volně protéká mřížkou.

Výzkumníci z Los Alamos Balatsky a Graf vyslovili domněnku, že tento efekt lze popsat zcela jiným vysvětlením. Domnívali se, že změna rychlosti oscilací mohla vzniknout jako důsledek postupného „zamrzání“ nedokonalostí v mřížce helia-4. Pro ilustraci na velmi základní úrovni použil Balatsky rotující vejce.

Čerstvé vejce je směs žloutku a bílku uvnitř skořápky. Při roztočení dochází vlivem interakce kapaliny uvnitř skořápky k relativně pomalé rotaci. Pokud je však vejce zmrzlé, nedokonalosti uvnitř skořápky zmrznou a vejce se roztočí mnohem rychleji – podobně jako se zvýšila rychlost oscilace pozorovaná při prvních experimentech s torzní oscilací.

Pro ověření této zjednodušené analogie vymysleli Balatsky, Davis a kolegové experiment s torzním oscilátorem, který byl 10 000krát citlivější než oscilátory používané v předchozích experimentech. Vědci zkoumali výsledky měnící se teploty při konstantní rychlosti oscilací oproti výsledkům měnící se rychlosti oscilací při konstantní teplotě. Porovnali mikroskopické excitace v pevném heliu-4 za obou podmínek a zjistili, že vynesené křivky jsou téměř identické.

Možná ještě významnější je, že výzkumníci během svých experimentů nezaznamenali náhlou, jasně demarkantní změnu v relaxaci mikroskopických defektů při určité „kritické teplotě“. Absence takového ostrého ohraničení poskytuje důkaz proti změně fáze helia-4 na supertvrdou.

Naopak to naznačuje, že dříve pozorované chování bylo spíše výsledkem každodenní fyziky než nějakého exotického chování.

„I když tento experiment definitivně nevylučuje možnost vzniku supertvrdé látky v heliu-4, skutečnost, že jsme poskytli rozumné alternativní vysvětlení pro pozorované chování v dřívějších experimentech, oslabuje argument, že to, co bylo pozorováno, byla změna fáze na supertvrdou látku,“ řekl Balatsky.

Kromě výzkumníků Balatského a Grafa z Los Alamos a fyzika Davise z Cornellu jsou spoluautory článku např: Ethan Pratt, který dříve působil na Cornellu, ale nyní pracuje v Národním institutu pro standardy a technologie, Ben Hunt a postgraduální student Vikram Gadagkar z Massachusettského technologického institutu a Minoru Yamashita z Kjótské univerzity.