Badacze z Los Alamos National Laboratory Alexander Balatsky i Matthias Graf dołączyli do fizyka z Cornell University J.C. Séamusa Davisa i innych w opisie alternatywnego wyjaśnienia zachowania helu-4, które doprowadziło naukowców do przekonania przez prawie 40 lat, że substancja ta może posiadać właściwości cieczy i ciała stałego w tym samym czasie, gdy jest schłodzona do temperatury bliskiej zera absolutnego.

Hel-4 jest tym samym gazem, którego używa się do napełniania balonów karnawałowych. Po schłodzeniu do temperatury poniżej minus 452 stopni poniżej zera Fahrenheita, hel-4 staje się cieczą – i to niezwykłą cieczą. W bardzo niskich temperaturach hel-4 może stać się „superpłynny”, płyn bez lepkości, który może płynąć bez przeszkód przez tarcie.

Po umieszczeniu pod ciśnieniem w tych niskich temperaturach, atomy helu-4 układają się w uporządkowaną siatkę lub ciało stałe, które fizycy prawie 40 lat temu wierzyli, że może zachowywać się w podobny sposób bez tarcia jako supersolid – unikalny teoretyczny stan materii, w którym luźna siatka materiału może poruszać się jako pojedynczy obiekt bez tarcia.

Fizycy wpadli na pomysł, że hel-4 staje się supersolid po oscylacji ciekłego helu-4 tam i z powrotem w specjalnym aparacie, który mierzył prędkość obrotową. Kiedy badacze zmierzyli te ruchy w warunkach, które wywołałyby stałą formę helu-4, zauważyli, że prędkość oscylacji nieznacznie wzrosła, tak jakby jakaś część masy poluzowała się i nie była hamowana przez interakcję z resztą materiału. Efekt ten został zinterpretowany jako dowód na supersolidność, fazę, w której część masy ciała stałego nie porusza się wraz z resztą siatki stałej, ale raczej swobodnie przepływa przez siatkę.

Badacze z Los Alamos, Balatsky i Graf, uznali, że efekt ten może być opisany przez zupełnie inne wyjaśnienie. Uważali oni, że zmiana prędkości oscylacji mogła powstać w wyniku stopniowego „zamrażania” niedoskonałości w sieci helu-4. Aby zilustrować to na bardzo podstawowym poziomie, Balatsky używa obracającego się jajka.

Świeże jajko jest mieszaniną żółtka i białka w skorupce. Podczas wirowania, oddziaływanie cieczy w skorupce powoduje stosunkowo powolny obrót. Jeśli jednak jajko jest zamrożone, niedoskonałości skorupki zamarzają, a jajko obraca się znacznie szybciej – podobnie jak wzrost prędkości oscylacji zaobserwowany we wczesnych eksperymentach z oscylacją skrętną.

Aby przetestować tę uproszczoną analogię, Balatsky, Davis i współpracownicy opracowali eksperyment z użyciem oscylatora skrętnego, który był 10 000 razy bardziej czuły niż oscylatory używane w poprzednich eksperymentach. Badacze przyjrzeli się wynikom zmiennej temperatury przy stałej prędkości oscylacji w porównaniu z wynikami zmiennej prędkości oscylacji przy stałej temperaturze. Porównali oni mikroskopijne wzbudzenia w obrębie stałego helu-4 w obu warunkach i stwierdzili, że wykreślone krzywe były niemal identyczne.

Bardzo istotne jest to, że badacze nie zaobserwowali nagłej, wyraźnie zaznaczonej zmiany w relaksacji mikroskopijnych defektów w jakiejś „krytycznej temperaturze” podczas swoich eksperymentów. Brak takiego ostrego rozgraniczenia stanowi dowód przeciwko zmianie fazy helu-4 do supersolid.

Zamiast tego sugeruje, że wcześniejsze obserwowane zachowanie było wynikiem codziennej fizyki, a nie jakiegoś egzotycznego zachowania.

„Podczas gdy ten eksperyment nie wyklucza definitywnie możliwości powstawania supersolid w helu-4, fakt, że dostarczyliśmy rozsądne alternatywne wyjaśnienie dla obserwowanego zachowania we wcześniejszych eksperymentach osłabia argument, że to, co było widziane, było zmianą fazy na supersolid,” Balatsky said.

In addition to Los Alamos researchers Balatsky and Graf, and Cornell physicist Davis, co-authors of the paper include: Ethan Pratt, dawniej z Cornell, a obecnie w National Institute of Standards and Technology; Ben Hunt i student studiów magisterskich Vikram Gadagkar w Massachusetts Institute of Technology; oraz Minoru Yamashita z Kyoto University.

.