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Les chercheurs Alexander Balatsky et Matthias Graf du Laboratoire national de Los Alamos se sont joints au physicien J.C. Séamus Davis de l’Université Cornell et à d’autres pour décrire une explication alternative du comportement de l’hélium-4 qui a conduit les scientifiques à croire pendant près de 40 ans que la substance pouvait détenir les propriétés d’un liquide et d’un solide en même temps lorsqu’elle était refroidie à une température proche du zéro absolu.

L’hélium-4 est le même gaz utilisé pour remplir les ballons de carnaval. Lorsqu’il est refroidi à des températures inférieures à moins 452 degrés sous zéro Fahrenheit, l’hélium-4 devient un liquide — et un liquide extraordinaire. A très basse température, l’hélium-4 peut devenir un « superfluide », un liquide sans viscosité qui peut s’écouler sans être gêné par la friction.

Lorsqu’ils sont placés sous pression à ces basses températures, les atomes d’hélium-4 s’arrangent en un réseau ordonné, ou solide, dont les physiciens pensaient, il y a près de 40 ans, qu’il pourrait se comporter de manière similaire et sans friction comme un supersolide — un état théorique unique de la matière dans lequel un réseau massif de matériaux pourrait se déplacer comme un seul objet sans friction.

Les physiciens sont arrivés à l’idée que l’hélium-4 devient un supersolide après avoir fait osciller l’hélium-4 liquide d’avant en arrière dans un appareil spécial qui mesurait la vitesse de rotation. Lorsque les chercheurs ont mesuré ces mouvements dans des conditions qui induiraient une forme solide de l’hélium-4, ils ont remarqué que la vitesse d’oscillation augmentait légèrement, comme si une partie de la masse s’était détachée et n’était plus inhibée par l’interaction avec le reste du matériau. Cet effet a été interprété comme une preuve de supersolidité, une phase dans laquelle une partie de la masse d’un solide ne se déplace pas avec le reste du réseau solide, mais s’écoule plutôt librement à travers le réseau.

Les chercheurs Balatsky et Graf de Los Alamos ont postulé que l’effet pouvait être décrit par une explication entièrement différente. Selon eux, le changement de la vitesse d’oscillation pourrait résulter d’un « gel » progressif des imperfections du réseau de l’hélium 4. Pour illustrer à un niveau très basique, Balatsky utilise un œuf en rotation.

Un œuf frais est un mélange de jaune et d’albumine dans une coquille. Lorsqu’il est filé, l’interaction du liquide à l’intérieur de la coquille d’œuf entraîne une rotation relativement lente. En revanche, si l’œuf est gelé, les imperfections à l’intérieur de la coquille se figent et l’œuf tourne beaucoup plus vite — comme l’augmentation de la vitesse d’oscillation observée dans les premières expériences d’oscillation de torsion.

Pour tester cette analogie simplifiée, Balatsky, Davis et leurs collègues ont conçu une expérience utilisant un oscillateur de torsion 10 000 fois plus sensible que ceux utilisés dans les expériences précédentes. Les chercheurs ont examiné les résultats de la variation de la température à une vitesse d’oscillation constante par rapport aux résultats de la variation des vitesses d’oscillation à température constante. Ils ont comparé les excitations microscopiques au sein de l’hélium-4 solide dans les deux conditions et ont constaté que les courbes tracées étaient presque identiques.

Peut-être plus significatif, les chercheurs n’ont pas vu un changement soudain et clairement démarqué dans la relaxation des défauts microscopiques à une certaine « température critique » pendant leurs expériences. L’absence d’une telle démarcation nette fournit des preuves contre un changement de phase de l’hélium-4 vers un supersolide.

Au contraire, cela suggère que le comportement observé précédemment était le résultat de la physique quotidienne plutôt qu’un comportement exotique.

« Bien que cette expérience n’exclut pas définitivement la possibilité de la formation d’un supersolide dans l’hélium-4, le fait que nous ayons fourni une explication alternative raisonnable pour le comportement observé dans les expériences précédentes affaiblit l’argument selon lequel ce qui était observé était un changement de phase vers un supersolide », a déclaré Balatsky.

En plus des chercheurs de Los Alamos Balatsky et Graf, et du physicien de Cornell Davis, les coauteurs de l’article comprennent : Ethan Pratt, anciennement de Cornell, mais maintenant au National Institute of Standards and Technology ; Ben Hunt et Vikram Gadagkar, étudiant diplômé au Massachusetts Institute of Technology ; et Minoru Yamashita à l’Université de Kyoto.