Forskarna Alexander Balatsky och Matthias Graf från Los Alamos National Laboratory har tillsammans med fysikern J.C. Séamus Davis från Cornell University och andra beskrivit en alternativ förklaring till helium-4:s beteende, vilket ledde till att forskarna i nästan 40 år trodde att ämnet kunde ha egenskaperna hos en vätska och en fast substans samtidigt när det kyldes ned till nära absolut nollpunkt.

Helium-4 är samma gas som används för att fylla ballonger på karnevalen. När helium-4 kyls ner till temperaturer under minus 452 grader under noll Fahrenheit blir det en vätska – och en extraordinär vätska. Vid mycket låga temperaturer kan helium-4 bli en ”superfluid”, en vätska utan viskositet som kan flyta obehindrat av friktion.

När helium-4-atomer sätts under tryck vid dessa låga temperaturer ordnas de i ett ordnat gitter, eller fast ämne, som fysikerna för nästan 40 år sedan trodde skulle kunna uppträda på ett liknande friktionssäkert sätt som ett supersolidt ämne – ett unikt teoretiskt materiatillstånd där ett massivt gitter av material skulle kunna röra sig som ett enda friktionssäkert objekt.

Fysikerna kom på idén att helium-4 blir en superfast substans efter att ha oscillerat flytande helium-4 fram och tillbaka i en speciell apparat som mätte rotationshastigheten. När forskarna mätte dessa rörelser under förhållanden som skulle framkalla en fast form av helium-4 märkte de att svängningshastigheten ökade något, som om någon del av massan hade lossnat och inte hämmades av interaktion med resten av materialet. Denna effekt tolkades som ett bevis på supersoliditet, en fas där en del av massan i ett fast ämne inte rör sig med resten av det fasta gittret, utan snarare flyter fritt genom gittret.

Los Alamos-forskarna Balatsky och Graf hävdade att effekten kunde beskrivas av en helt annan förklaring. De trodde att förändringen i svängningshastighet kunde ha uppstått som ett resultat av en gradvis ”utfrysning” av ofullkomligheter i helium-4-gittret. För att illustrera på en mycket grundläggande nivå använder Balatsky ett roterande ägg.

Ett färskt ägg är en blandning av äggula och äggvita inom ett skal. När det snurras resulterar interaktionen mellan vätskan i äggskalet i en relativt långsam rotation. Om ägget är fruset fryser dock ojämnheterna i skalet ut, och ägget snurrar mycket snabbare – precis som den ökning av svängningshastigheten som observerades i de tidiga torsionsoscillationsexperimenten.

För att testa denna förenklade analogi utarbetade Balatsky, Davis och kollegor ett experiment där de använde sig av en torsionsoscilator som var 10 000 gånger känsligare än de som användes i tidigare experiment. Forskarna tittade på resultaten av varierande temperatur vid en konstant svängningshastighet jämfört med resultaten av varierande svängningshastigheter vid konstant temperatur. De jämförde de mikroskopiska excitationerna inom fast helium-4 under båda förhållandena och fann att de plottade kurvorna var nästan identiska.

Men kanske ännu viktigare är att forskarna inte såg någon plötslig, tydligt markerad förändring i relaxationen av mikroskopiska defekter vid någon ”kritisk temperatur” under sina experiment. Avsaknaden av en sådan skarp avgränsning ger bevis mot en fasförändring av helium-4 till en superfast substans.

Istället tyder det på att det tidigare observerade beteendet var resultatet av vardaglig fysik snarare än något exotiskt beteende.

”Även om det här experimentet inte definitivt utesluter möjligheten att det bildas en superfast substans i helium-4, försvagar det faktum att vi har gett en rimlig alternativ förklaring till det observerade beteendet i tidigare experiment argumentet för att det som observerades var en fasförändring till en superfast substans”, säger Balatsky.

Inom Los Alamos-forskarna Balatsky och Graf, och Cornell-fysikern Davis, ingår bland annat följande medförfattare till artikeln: Ethan Pratt, tidigare från Cornell, men nu vid National Institute of Standards and Technology, Ben Hunt och doktoranden Vikram Gadagkar vid Massachusetts Institute of Technology samt Minoru Yamashita vid Kyoto University.