1

Cercetătorii Laboratorului Național Los Alamos, Alexander Balatsky și Matthias Graf, s-au alăturat fizicianului de la Universitatea Cornell, J.C. Séamus Davis, și altora pentru a descrie o explicație alternativă a comportamentului heliului-4, care i-a făcut pe oamenii de știință să creadă, timp de aproape 40 de ani, că substanța ar putea deține proprietățile unui lichid și ale unui solid în același timp, atunci când este răcită până aproape de Zero Absolut.

Heliul-4 este același gaz folosit pentru a umple baloanele de carnaval. Atunci când este răcit la temperaturi mai mici de minus 452 de grade sub zero grade Fahrenheit, heliul-4 devine un lichid – și chiar un lichid extraordinar. La temperaturi foarte scăzute, heliul-4 poate deveni un „superfluid”, un lichid fără vâscozitate care poate curge fără a fi împiedicat de frecare.

Când este pus sub presiune la aceste temperaturi scăzute, atomii de heliu-4 se aranjează într-o rețea ordonată, sau solid, despre care fizicienii au crezut acum aproape 40 de ani că s-ar putea comporta într-un mod similar fără frecare ca un supersolid – o stare teoretică unică a materiei în care o rețea de material în vrac s-ar putea mișca ca un singur obiect fără frecare.

Fizicienii au ajuns la ideea că heliu-4 devine un supersolid după ce au oscilat heliu-4 lichid înainte și înapoi într-un aparat special care măsura viteza de rotație. Când cercetătorii au măsurat aceste mișcări în condiții care să inducă o formă solidă de heliu-4, au observat că viteza de oscilație a crescut ușor, ca și cum o parte din masă s-ar fi desprins și ar fi fost dezinhibată de interacțiunea cu restul materialului. Acest efect a fost interpretat ca o dovadă de supersoliditate, o fază în care o parte din masa unui solid nu se mișcă împreună cu restul rețelei solide, ci mai degrabă curge liber prin rețea.

Cercetătorii Balatsky și Graf de la Los Alamos au emis ipoteza că efectul ar putea fi descris printr-o explicație complet diferită. Ei credeau că schimbarea vitezei de oscilație ar fi putut apărea ca rezultat al unei „înghețări” treptate a imperfecțiunilor din rețeaua de heliu-4. Pentru a ilustra la un nivel foarte elementar, Balatsky folosește un ou care se rotește.

Un ou proaspăt este un amestec de gălbenuș și albumen în interiorul unei cochilii. Când este învârtit, interacțiunea lichidului din interiorul cojii de ou are ca rezultat o rotație relativ lentă. Cu toate acestea, dacă oul este înghețat, imperfecțiunile din coajă îngheață, iar oul se rotește mult mai repede – ca și creșterea vitezei de oscilație observată în primele experimente de oscilație torsională.

Pentru a testa această analogie simplificată, Balatsky, Davis și colegii lor au conceput un experiment folosind un oscilator torsional care era de 10.000 de ori mai sensibil decât cele folosite în experimentele anterioare. Cercetătorii au analizat rezultatele variației temperaturii la o viteză de oscilație constantă față de rezultatele variației vitezei de oscilație la o temperatură constantă. Ei au comparat excitațiile microscopice din interiorul heliului-4 solid în ambele condiții și au constatat că curbele trasate erau aproape identice.

Poate mai semnificativ, cercetătorii nu au observat o schimbare bruscă, clar delimitată, în relaxarea defectelor microscopice la o anumită „temperatură critică” în timpul experimentelor lor. Lipsa unei astfel de demarcații clare oferă dovezi împotriva unei schimbări de fază a heliului-4 în supersolid.

În schimb, sugerează că comportamentul observat anterior a fost rezultatul fizicii de zi cu zi, mai degrabă decât un comportament exotic.

„În timp ce acest experiment nu exclude definitiv posibilitatea formării unui supersolid în heliu-4, faptul că am oferit o explicație alternativă rezonabilă pentru comportamentul observat în experimentele anterioare slăbește argumentul că ceea ce s-a observat a fost o schimbare de fază către un supersolid”, a spus Balatsky.

În afară de cercetătorii de la Los Alamos, Balatsky și Graf, și fizicianul Davis de la Cornell, coautori ai lucrării sunt: Ethan Pratt, fost de la Cornell, dar acum la Institutul Național de Standarde și Tehnologie; Ben Hunt și studentul absolvent Vikram Gadagkar de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts; și Minoru Yamashita de la Universitatea din Kyoto.