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Die Forscher des Los Alamos National Laboratory, Alexander Balatsky und Matthias Graf, haben zusammen mit dem Physiker J.C. Séamus Davis von der Cornell University und anderen eine alternative Erklärung für das Verhalten von Helium-4 beschrieben, das Wissenschaftler fast 40 Jahre lang zu der Annahme veranlasste, dass die Substanz Eigenschaften einer Flüssigkeit und eines Feststoffs gleichzeitig besitzen könnte, wenn sie auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird.

Helium-4 ist das gleiche Gas, mit dem Karnevalsballons gefüllt werden. Wenn es auf Temperaturen unter minus 452 Grad Fahrenheit abgekühlt wird, wird Helium-4 zu einer Flüssigkeit – und zwar zu einer außergewöhnlichen Flüssigkeit. Bei sehr niedrigen Temperaturen kann Helium-4 zu einem „Superfluid“ werden, einer Flüssigkeit ohne Viskosität, die ungehindert durch Reibung fließen kann.

Wenn Helium-4-Atome bei diesen niedrigen Temperaturen unter Druck gesetzt werden, ordnen sie sich in einem geordneten Gitter oder Festkörper an, von dem Physiker vor fast 40 Jahren glaubten, dass er sich ähnlich reibungslos wie ein Superfestkörper verhalten könnte – ein einzigartiger theoretischer Zustand der Materie, in dem sich ein Massengitter aus Material als ein einziges reibungsloses Objekt bewegen könnte.

Die Physiker kamen auf die Idee, dass Helium-4 zu einem Superfestkörper wird, nachdem sie flüssiges Helium-4 in einer speziellen Apparatur, die die Rotationsgeschwindigkeit misst, hin und her schwingen ließen. Als die Forscher diese Bewegungen unter Bedingungen maßen, die eine feste Form von Helium-4 hervorrufen würden, stellten sie fest, dass sich die Schwingungsgeschwindigkeit leicht erhöhte, als ob sich ein Teil der Masse gelöst hätte und durch die Wechselwirkung mit dem restlichen Material nicht mehr gehemmt wäre. Dieser Effekt wurde als Beweis für Supersolidität gedeutet, eine Phase, in der sich ein Teil der Masse eines Festkörpers nicht mit dem Rest des Feststoffgitters bewegt, sondern frei durch das Gitter fließt.

Die Forscher Balatsky und Graf aus Los Alamos stellten die These auf, dass der Effekt durch eine ganz andere Erklärung beschrieben werden könnte. Sie glaubten, dass die Änderung der Schwingungsgeschwindigkeit das Ergebnis eines allmählichen „Ausfrierens“ von Unvollkommenheiten im Helium-4-Gitter sein könnte. Zur Veranschaulichung auf einer sehr grundlegenden Ebene verwendet Balatsky ein rotierendes Ei.

Ein frisches Ei ist eine Mischung aus Eigelb und Eiweiß innerhalb einer Schale. Beim Drehen führt die Wechselwirkung der Flüssigkeit innerhalb der Eierschale zu einer relativ langsamen Rotation. Wenn das Ei jedoch gefroren ist, frieren die Unvollkommenheiten in der Schale aus, und das Ei dreht sich viel schneller – wie die Zunahme der Schwingungsgeschwindigkeit, die in den frühen Experimenten mit Torsionsschwingungen beobachtet wurde.

Um diese vereinfachte Analogie zu testen, entwickelten Balatsky, Davis und Kollegen ein Experiment mit einem Torsionsschwinger, der 10.000 Mal empfindlicher war als die in früheren Experimenten verwendeten. Die Forscher untersuchten die Ergebnisse von Temperaturschwankungen bei konstanter Schwingungsgeschwindigkeit im Vergleich zu den Ergebnissen von unterschiedlichen Schwingungsgeschwindigkeiten bei konstanter Temperatur. Sie verglichen die mikroskopischen Anregungen in festem Helium-4 unter beiden Bedingungen und stellten fest, dass die aufgezeichneten Kurven nahezu identisch waren.

Vielleicht noch bedeutsamer ist, dass die Forscher bei ihren Experimenten keine plötzliche, klar abgegrenzte Veränderung in der Entspannung mikroskopischer Defekte bei einer „kritischen Temperatur“ feststellen konnten. Das Fehlen einer solchen scharfen Abgrenzung spricht gegen einen Phasenwechsel von Helium-4 zu einem Superfestkörper.

Stattdessen deutet es darauf hin, dass das früher beobachtete Verhalten das Ergebnis alltäglicher Physik und nicht eines exotischen Verhaltens war.

„Während dieses Experiment die Möglichkeit der Bildung eines Superfestkörpers in Helium-4 nicht endgültig ausschließt, schwächt die Tatsache, dass wir eine vernünftige alternative Erklärung für das in früheren Experimenten beobachtete Verhalten geliefert haben, das Argument, dass es sich bei dem beobachteten Verhalten um einen Phasenwechsel zu einem Superfestkörper handelte“, sagte Balatsky.

Zusätzlich zu den Los Alamos-Forschern Balatsky und Graf und dem Cornell-Physiker Davis gehören zu den Koautoren des Papiers: Ethan Pratt, früher in Cornell, jetzt am National Institute of Standards and Technology; Ben Hunt und der Doktorand Vikram Gadagkar am Massachusetts Institute of Technology; und Minoru Yamashita an der Kyoto University.