1

A Los Alamos National Laboratory kutatói, Alexander Balatsky és Matthias Graf a Cornell University fizikusával, J.C. Séamus Davisszel és másokkal együtt alternatív magyarázatot adtak a hélium-4 viselkedésére, ami miatt a tudósok közel 40 évig azt hitték, hogy az anyag egyszerre képes a folyadék és a szilárd anyag tulajdonságait is megtartani, ha közel az abszolút nullpontra hűtik.

A hélium-4 ugyanaz a gáz, amelyet karneváli léggömbök töltésére használnak. Ha mínusz 452 Celsius-fok alatti hőmérsékletre hűtjük, a hélium-4 folyadékká válik — méghozzá rendkívüli folyadékká. Nagyon alacsony hőmérsékleten a hélium-4 “szuperfolyadékká” válhat, egy viszkozitás nélküli folyadékká, amely súrlódás nélkül képes áramlani.

Ahol ilyen alacsony hőmérsékleten nyomás alá helyezik, a hélium-4 atomok rendezett rácsba, vagy szilárd anyagba rendeződnek, amelyről a fizikusok közel 40 évvel ezelőtt úgy vélték, hogy hasonlóan súrlódásmentesen viselkedhet, mint egy szuperszilárd anyag – egy egyedülálló elméleti anyagállapot, amelyben egy tömeges anyagrács egyetlen súrlódásmentes tárgyként mozoghat.

A fizikusok azután jutottak arra az ötletre, hogy a hélium-4 szuperszilárddá válik, miután a folyékony hélium-4-et ide-oda rezgették egy speciális készülékben, amely a forgási sebességet mérte. Amikor a kutatók ezeket a mozgásokat olyan körülmények között mérték, amelyek a hélium-4 szilárd formáját idéznék elő, azt vették észre, hogy az oszcillációs sebesség kissé megnőtt, mintha a tömeg egy része elszabadult volna, és nem gátolta volna az anyag többi részével való kölcsönhatás. Ezt a hatást a szuperszilárdság bizonyítékaként értelmezték, egy olyan fázisban, amelyben a szilárd anyag tömegének egy része nem mozog a szilárd rács többi részével együtt, hanem szabadon áramlik a rácson keresztül.

Balatsky és Graf Los Alamos-i kutatók azt állították, hogy a hatást egy teljesen más magyarázattal is le lehetne írni. Úgy vélték, hogy az oszcillációs sebesség változása a hélium-4 rácson belüli tökéletlenségek fokozatos “kifagyásának” eredményeként jöhetett létre. Egy nagyon egyszerű szinten való szemléltetéshez Balatsky egy forgó tojást használ.

A friss tojás a tojássárgája és a tojásfehérje keveréke egy héjon belül. Pörgetéskor a tojáshéjon belüli folyadék kölcsönhatása viszonylag lassú forgást eredményez. Ha azonban a tojást megfagyasztják, a héjon belüli tökéletlenségek kifagynak, és a tojás sokkal gyorsabban forog — hasonlóan a korai torziós oszcillációs kísérletekben megfigyelt oszcillációs sebességnövekedéshez.

Az egyszerűsített analógia tesztelésére Balatsky, Davis és munkatársai egy olyan kísérletet dolgoztak ki, amelyben egy olyan torziós oszcillátort használtak, amely tízezerszer érzékenyebb volt, mint a korábbi kísérletekben használtak. A kutatók a hőmérséklet állandó oszcillációs sebesség mellett történő változtatásának eredményeit vizsgálták az állandó hőmérséklet mellett változó oszcillációs sebességek eredményeihez képest. Összehasonlították a szilárd hélium-4-en belüli mikroszkopikus gerjesztéseket mindkét körülmények között, és azt találták, hogy az ábrázolt görbék közel azonosak voltak.

Mivel talán még jelentősebb, hogy a kutatók nem tapasztaltak hirtelen, világosan elkülönülő változást a mikroszkopikus hibák relaxációjában valamilyen “kritikus hőmérsékleten” a kísérleteik során. Az ilyen éles elhatárolódás hiánya bizonyítékot szolgáltat a hélium-4 fázisának szuperszilárddá válása ellen.

Ehelyett arra utal, hogy a korábban megfigyelt viselkedés inkább a mindennapi fizika, mint valamilyen egzotikus viselkedés eredménye volt.

“Bár ez a kísérlet nem zárja ki véglegesen a hélium-4 szuperszilárdság kialakulásának lehetőségét, az a tény, hogy ésszerű alternatív magyarázatot adtunk a korábbi kísérletekben megfigyelt viselkedésre, gyengíti azt az érvet, hogy amit láttunk, az egy szuperszilárd fázisváltás volt” – mondta Balatsky.

“A Los Alamos-i kutatók, Balatsky és Graf, valamint Davis cornelli fizikus mellett a tanulmány társszerzői közé tartoznak még:: Ethan Pratt, aki korábban a Cornellben dolgozott, de most a National Institute of Standards and Technology-nál dolgozik; Ben Hunt és Vikram Gadagkar végzős hallgató a Massachusetts Institute of Technology-nál; és Minoru Yamashita a Kiotói Egyetemen.