Los Alamos National Laboratory forskere Alexander Balatsky og Matthias Graf har sammen med Cornell University fysiker J.C. Séamus Davis og andre beskrevet en alternativ forklaring på helium-4s adfærd, som i næsten 40 år fik forskerne til at tro, at stoffet kunne have både flydende og faste egenskaber på samme tid, når det blev afkølet til nær det absolutte nulpunkt.

Helium-4 er den samme gas, som bruges til at fylde karnevalsballoner med. Når det afkøles til temperaturer under minus 452 grader under nul Fahrenheit, bliver helium-4 til en væske – og en ekstraordinær væske i øvrigt. Ved meget lave temperaturer kan helium-4 blive en “superfluid”, en væske uden viskositet, der kan flyde uhindret af friktion.

Når helium-4-atomer sættes under tryk ved disse lave temperaturer, arrangerer de sig i et ordnet gitter eller fast stof, som fysikere for næsten 40 år siden troede kunne opføre sig på en lignende gnidningsfri måde som et superfast stof – en unik teoretisk stoftilstand, hvor et massivt gitter af materiale kunne bevæge sig som et enkelt gnidningsfrit objekt.

Fysikerne kom til den idé, at helium-4 bliver en superfast tilstand efter at have sat flydende helium-4 i svingning frem og tilbage i et særligt apparat, der målte rotationshastigheden. Da forskerne målte disse bevægelser under forhold, der ville fremkalde en fast form af helium-4, bemærkede de, at svingningshastigheden steg en smule, som om en del af massen havde løsnet sig og ikke blev hæmmet af interaktion med resten af materialet. Denne effekt blev fortolket som tegn på supersoliditet, en fase, hvor en del af massen i et fast stof ikke bevæger sig sammen med resten af det faste gitter, men snarere flyder frit gennem gitteret.

Los Alamos-forskerne Balatsky og Graf postulerede, at effekten kunne beskrives ved en helt anden forklaring. De mente, at ændringen i svingningshastigheden kunne være opstået som et resultat af en gradvis “udfrysning” af ufuldkommenheder i helium-4-gitteret. For at illustrere på et meget grundlæggende niveau bruger Balatsky et roterende æg.

Et frisk æg er en blanding af æggeblomme og æggehvide inden for en skal. Når det drejes, resulterer vekselvirkningen mellem væsken i æggeskallen i en relativt langsom rotation. Hvis ægget er frosset, fryser ufuldkommenhederne i skallen imidlertid ud, og ægget drejer meget hurtigere – ligesom den forøgelse af svingningshastigheden, der blev observeret i de tidlige torsionssvingningseksperimenter.

For at afprøve denne forenklede analogi udtænkte Balatsky, Davis og kolleger et eksperiment med en torsionsoscillator, der var 10.000 gange mere følsom end dem, der blev brugt i tidligere eksperimenter. Forskerne så på resultaterne af varierende temperatur ved en konstant svingningshastighed i forhold til resultaterne af varierende svingningshastigheder ved konstant temperatur. De sammenlignede de mikroskopiske excitationer i fast helium-4 under begge forhold og fandt, at de plottede kurver var næsten identiske.

Måske mere betydningsfuldt var det, at forskerne ikke så en pludselig, klart afgrænset ændring i afslapningen af mikroskopiske defekter ved en eller anden “kritisk temperatur” under deres eksperimenter. Manglen på en sådan skarp afgrænsning giver beviser imod en faseændring af helium-4 til en supersolid.

I stedet tyder det på, at den tidligere observerede adfærd var resultatet af dagligdags fysik snarere end af en eksotisk adfærd.

“Selv om dette eksperiment ikke definitivt udelukker muligheden for dannelse af en supersolid i helium-4, svækker det faktum, at vi har givet en rimelig alternativ forklaring på den observerede adfærd i tidligere eksperimenter, argumentet for, at det, der blev set, var et faseskift til en supersolid,” sagde Balatsky.

Ud over Los Alamos-forskerne Balatsky og Graf samt Cornell-fysikeren Davis er medforfattere til artiklen bl.a: Ethan Pratt, tidligere fra Cornell, men nu ved National Institute of Standards and Technology; Ben Hunt og kandidatstuderende Vikram Gadagkar ved Massachusetts Institute of Technology; og Minoru Yamashita ved Kyoto University.