1

Los Alamosin kansallisen laboratorion tutkijat Alexander Balatsky ja Matthias Graf ovat yhdessä Cornellin yliopiston fyysikon J.C. Séamus Davisin ja muiden kanssa esittäneet vaihtoehtoisen selityksen helium-4:n käyttäytymiselle, joka johti tiedemiehet uskomaan melkein 40 vuoden ajan, että aineella voi olla nesteen ja kiinteän aineen ominaisuuksia samanaikaisesti, kun se jäähdytetään lähelle nollapisteen absoluuttista lämpötilaa.

Helium-4:llä täytetään tanssiaisilmapallot. Kun helium-4 jäähdytetään alle miinus 452 celsiusasteen lämpötilaan, siitä tulee nestettä – ja vieläpä poikkeuksellista nestettä. Hyvin alhaisissa lämpötiloissa helium-4 voi muuttua ”supernesteeksi”, nesteeksi, jolla ei ole viskositeettia ja joka voi virrata kitkattomasti.

Kun se asetetaan paineen alaiseksi näissä alhaisissa lämpötiloissa, helium-4:n atomit järjestäytyvät järjestäytyneeksi ristikoksi eli kiinteäksi aineeksi, jonka fyysikot uskoivat lähes 40 vuotta sitten voivan käyttäytyä yhtä kitkattomasti kuin supersolidi – ainutlaatuinen teoreettinen aineen olotila, jossa aineesta koostuva irtotavaran runko liikkuu yhtenäisenä kitkattomana kappaleena.

Fyysikot päätyivät ajatukseen, että helium-4:stä tulee superkiinteä, kun he värähtelivät nestemäistä helium-4:ää edestakaisin erityisessä laitteessa, joka mittasi pyörimisnopeutta. Kun tutkijat mittasivat näitä liikkeitä olosuhteissa, jotka aiheuttaisivat helium-4:n kiinteän olomuodon, he huomasivat, että värähtelynopeus kasvoi hieman, ikään kuin jokin osa massasta olisi irronnut ja vuorovaikutus muun materiaalin kanssa ei olisi estänyt sitä. Tämä ilmiö tulkittiin todisteeksi supersoliditeetista, vaiheesta, jossa osa kiinteän aineen massasta ei liiku muun kiinteän hilan mukana, vaan virtaa vapaasti hilan läpi.

Los Alamosin tutkijat Balatsky ja Graf esittivät, että ilmiötä voisi kuvata aivan toinen selitys. He uskoivat, että oskillointinopeuden muutos olisi voinut syntyä helium-4-ristikon epätäydellisyyksien vähittäisen ”jäätymisen” seurauksena. Havainnollistamiseksi hyvin perustasolla Balatsky käyttää pyörivää kananmunaa.

Tuore kananmuna on kuoren sisällä oleva keltuaisen ja valkuaisen seos. Kun sitä pyöritetään, nesteen vuorovaikutus munankuoren sisällä johtaa suhteellisen hitaaseen pyörimiseen. Jos muna kuitenkin jäädytetään, kuoren sisällä olevat epätäydellisyydet jäätyvät pois, ja muna pyörii paljon nopeammin — kuten varhaisissa vääntöoskillaatiokokeissa havaittu heilahdusnopeuden kasvu.

Testaamaan tätä yksinkertaistettua analogiaa Balatsky, Davis ja kollegat kehittivät kokeen, jossa käytettiin vääntöoskillaattoria, joka oli 10 000 kertaa herkempi kuin aiemmissa kokeissa käytetyt. Tutkijat tarkastelivat tuloksia, jotka saatiin vaihtelevasta lämpötilasta vakiovärähtelynopeudella verrattuna tuloksiin, jotka saatiin vaihtelevasta värähtelynopeudesta vakiolämpötilassa. He vertasivat mikroskooppisia herätteitä kiinteässä helium-4:ssä molemmissa olosuhteissa ja havaitsivat, että piirretyt käyrät olivat lähes identtiset.

Vähemmänkin merkittävää on ehkä se, että tutkijat eivät havainneet yhtäkkistä, selvästi erottuvaa muutosta mikroskooppisten vikojen relaksaatiossa jossakin ”kriittisessä lämpötilassa” kokeidensa aikana. Tällaisen jyrkän rajanvedon puuttuminen antaa todisteita sitä vastaan, että helium-4:n faasi olisi muuttunut superkiinteäksi.

Sen sijaan se viittaa siihen, että aiemmin havaittu käyttäytyminen oli pikemminkin arkipäiväisen fysiikan kuin jonkin eksoottisen käyttäytymisen tulosta.

”Vaikka tämä koe ei sulje lopullisesti pois helium-4:n supersolidin muodostumisen mahdollisuutta, se, että olemme antaneet kohtuullisen vaihtoehtoisen selityksen aiemmissa kokeissa havaitulle käyttäytymiselle, heikentää väitettä siitä, että se, mitä nähtiin, oli faasimuutos supersolidiksi”, Balatsky sanoi.”

Los Alamosin tutkijoiden Balatskyn ja Grafin sekä Cornellin fyysikon Davisin lisäksi artikkelin kirjoittajiin kuuluvat mm. seuraavat: Ethan Pratt, aiemmin Cornellissa, mutta nyt National Institute of Standards and Technologyssä, Ben Hunt ja jatko-opiskelija Vikram Gadagkar Massachusetts Institute of Technologyssä sekä Minoru Yamashita Kioton yliopistossa.