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Los Alamos National Laboratory researchers Alexander Balatsky and Matthias Graf joined Cornell University physicist J.C. Séamus Davis and others in describing an alternative explanation for behavior of helium-4 that led scientist to believe for almost 40 years that the substance could hold properties of a liquid and solid at the same time when cooled to near Absolute Zero.

Helium-4 is the same gas used to fill carnival balloons. Quando resfriado a temperaturas abaixo de 452 graus negativos abaixo de zero Fahrenheit, o hélio-4 se torna um líquido – e um líquido extraordinário. A temperaturas muito baixas, o hélio-4 pode se tornar um “superfluido”, um líquido sem viscosidade que pode fluir sem ser afetado pelo atrito.

Quando colocado sob pressão a essas baixas temperaturas, os átomos de hélio-4 se organizam em uma malha ordenada, ou sólido, que físicos há quase 40 anos atrás acreditavam que poderia se comportar de maneira similar sem atrito como um supersólido — um estado teórico único da matéria no qual uma malha de material a granel poderia se mover como um único objeto sem atrito.

Físicos chegaram à idéia de que o hélio-4 se torna um supersólido depois de oscilar o hélio-4 líquido para frente e para trás em um aparelho especial que media a velocidade de rotação. Quando os pesquisadores mediram estes movimentos em condições que induzissem uma forma sólida de hélio-4, notaram que a velocidade de oscilação aumentou ligeiramente, como se alguma parte da massa tivesse se soltado e estivesse desinibida pela interação com o resto do material. Este efeito foi interpretado como evidência de supersolidez, uma fase em que parte da massa de um sólido não se move com o resto da malha sólida, mas flui livremente através da malha.

Los Alamos os pesquisadores Balatsky e Graf afirmaram que o efeito poderia ser descrito por uma explicação completamente diferente. Eles acreditam que a mudança na velocidade de oscilação poderia ter surgido como resultado de um “congelamento” gradual das imperfeições dentro da malha de hélio-4. Para ilustrar em um nível muito básico, Balatsky usa um ovo rotativo.

Um ovo fresco é uma mistura de gema e albúmen dentro de uma casca. Quando girado, a interação do líquido dentro da casca do ovo resulta em uma rotação relativamente lenta. Se o ovo for congelado, entretanto, as imperfeições dentro da casca congelam, e o ovo gira muito mais rápido — como o aumento na velocidade de oscilação observada nos experimentos iniciais de oscilação de torção.

Para testar esta analogia simplificada, Balatsky, Davis e colegas conceberam um experimento usando um oscilador de torção que era 10.000 vezes mais sensível do que os usados nos experimentos anteriores. Os pesquisadores analisaram os resultados da variação da temperatura a uma velocidade de oscilação constante versus os resultados da variação da velocidade de oscilação a uma temperatura constante. Eles compararam as excitações microscópicas dentro do hélio-4 sólido em ambas as condições e descobriram que as curvas traçadas eram quase idênticas.

Talvez mais significativamente, os pesquisadores não viram uma mudança súbita e claramente demarcada no relaxamento dos defeitos microscópicos em alguma “temperatura crítica” durante seus experimentos. A falta de uma demarcação tão acentuada fornece evidências contra uma mudança na fase de hélio-4 para um supersólido.

Em vez disso, sugere que o comportamento observado anteriormente foi o resultado da física cotidiana e não de algum comportamento exótico.

“Embora este experimento não exclua definitivamente a possibilidade da formação de um supersólido em hélio-4, o fato de termos fornecido uma explicação alternativa razoável para o comportamento observado em experimentos anteriores enfraquece o argumento de que o que estava sendo visto era uma mudança de fase para um supersólido”, disse Balatsky.

Além dos pesquisadores de Los Alamos, Balatsky e Graf, e o físico de Cornell Davis, co-autores do trabalho, incluem: Ethan Pratt, anteriormente de Cornell, mas agora no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia; Ben Hunt e o estudante de pós-graduação Vikram Gadagkar no Instituto de Tecnologia de Massachusetts; e Minoru Yamashita na Universidade de Kyoto.