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I ricercatori del Los Alamos National Laboratory Alexander Balatsky e Matthias Graf si sono uniti al fisico della Cornell University J.C. Séamus Davis e altri nel descrivere una spiegazione alternativa per il comportamento dell’elio-4 che ha portato gli scienziati a credere per quasi 40 anni che la sostanza potesse avere le proprietà di un liquido e di un solido allo stesso tempo quando raffreddata vicino allo zero assoluto.

L’elio-4 è lo stesso gas usato per riempire i palloni di carnevale. Quando viene raffreddato a temperature inferiori a meno 452 gradi sotto zero Fahrenheit, l’elio-4 diventa un liquido – e un liquido straordinario. A temperature molto basse, l’elio-4 può diventare un “superfluido”, un liquido senza viscosità che può scorrere senza essere ostacolato dall’attrito.

Quando viene messo sotto pressione a queste basse temperature, gli atomi di elio-4 si dispongono in un reticolo ordinato, o solido, che i fisici quasi 40 anni fa credevano potesse comportarsi in modo simile senza attrito come un supersolido — uno stato teorico unico della materia in cui un reticolo di materiale alla rinfusa potrebbe muoversi come un singolo oggetto senza attrito.

I fisici sono arrivati all’idea che l’elio-4 diventa un supersolido dopo aver fatto oscillare l’elio-4 liquido avanti e indietro in uno speciale apparato che misurava la velocità di rotazione. Quando i ricercatori hanno misurato questi movimenti in condizioni che avrebbero indotto una forma solida di elio-4, hanno notato che la velocità di oscillazione aumentava leggermente, come se una parte della massa si fosse staccata e fosse disinibita dall’interazione con il resto del materiale. Questo effetto fu interpretato come prova di supersolidità, una fase in cui una parte della massa di un solido non si muove con il resto del reticolo solido, ma piuttosto scorre liberamente attraverso il reticolo.

I ricercatori Balatsky e Graf di Los Alamos posero che l’effetto poteva essere descritto da una spiegazione completamente diversa. Essi credevano che il cambiamento nella velocità di oscillazione potesse essere il risultato di un graduale “congelamento” delle imperfezioni all’interno del reticolo di elio-4. Per illustrare ad un livello molto elementare, Balatsky usa un uovo rotante.

Un uovo fresco è una miscela di tuorlo e albume all’interno di un guscio. Quando viene fatto girare, l’interazione del liquido all’interno del guscio porta ad una rotazione relativamente lenta. Se l’uovo è congelato, tuttavia, le imperfezioni all’interno del guscio si congelano, e l’uovo gira molto più velocemente – come l’aumento della velocità di oscillazione osservato nei primi esperimenti di oscillazione torsionale.

Per testare questa analogia semplificata, Balatsky, Davis e colleghi hanno ideato un esperimento utilizzando un oscillatore torsionale che era 10.000 volte più sensibile di quelli utilizzati negli esperimenti precedenti. I ricercatori hanno esaminato i risultati della variazione della temperatura a una velocità di oscillazione costante rispetto ai risultati della variazione della velocità di oscillazione a temperatura costante. Hanno confrontato le eccitazioni microscopiche all’interno dell’elio-4 solido in entrambe le condizioni e hanno scoperto che le curve tracciate erano quasi identiche.

Forse più significativamente, i ricercatori non hanno visto un cambiamento improvviso e chiaramente marcato nel rilassamento dei difetti microscopici a qualche “temperatura critica” durante i loro esperimenti. La mancanza di una demarcazione così netta fornisce prove contro un cambiamento di fase dell’elio-4 in un supersolido.

Invece, suggerisce che il comportamento osservato in precedenza era il risultato della fisica quotidiana piuttosto che qualche comportamento esotico.

“Mentre questo esperimento non esclude definitivamente la possibilità della formazione di un supersolido nell’elio-4, il fatto che abbiamo fornito una spiegazione alternativa ragionevole per il comportamento osservato negli esperimenti precedenti indebolisce l’argomento che ciò che è stato visto era un cambiamento di fase in un supersolido”, ha detto Balatsky.

Oltre ai ricercatori di Los Alamos Balatsky e Graf, e il fisico Davis di Cornell, i co-autori del documento includono: Ethan Pratt, già della Cornell, ma ora al National Institute of Standards and Technology; Ben Hunt e lo studente laureato Vikram Gadagkar al Massachusetts Institute of Technology; e Minoru Yamashita alla Kyoto University.