I 2004 oppdaget fysikere noe kult: Superflytende helium, et av naturens særeste stoffer, kunne også fryse til “superfast” helium. Nå, nesten ti år etter, må forskerne trekke oppdagelsen tilbake. De, og en rekke andre som gjentok eksperimentet, ble rett og slett lurt av de vanskelige målingene. Hva er “superfast” helium, hva gikk galt - og kan det finnes likevel?

(Artikkelen er en oppdatering av tekst tidligere publisert på kollokvium.no)

Helium - et av naturens særeste stoff

Helium er et artig stoff. Det er det nest letteste grunnstoffet, med en atomkjerne bestående av to protoner og to nøytroner. Det kan få ballonger til å fly (siden det er lettere enn luft), det kan gi Donald-stemme (siden lyden går med en annen hastighet i et stoff som - igjen - er lettere enn luft), og det kan klatre oppover vegger. Helt sant. Det må bare bli kaldt nok først.

Kollokvium.no skrev om hva som skjer når helum kjøles til under -270 grader Celsius i artikkelen Naurens særeste stoff:

Ved romtemperatur er helium en gass. Kjøler du det ned til under -270 grader Celsius (ca. fire grader Kelvin, eller fire grader over så kaldt som det går an å bli) så blir det flytende. Kjøles det enda et stykke ned så blir detsuperflytende. Da kan væsken snike gjennom de minste sprekker, klatre oppover vegger, og lage en evigvarende fontene. Bare se på denne videoen.

Hva betyr det at noe er superflytende? I praksis at væsken flyter uten noen motstand – som en perfekt skøyte mot is, uten friksjon i det hele tatt. Rører du i en superflytende væske – eller får den til å sprute opp av en tut og så tilbake i karet igjen – så vil den fortsette med dette helt til noen tvinger den til å gjøre noe annet (eller den varmes opp slik at den slutter å være superflytende da).

Disse egenskapene kommer av at såkalt helium-4, som er den vanlige typen, er av en partikkeltype som kalles et boson. Når bosoner blir kalde så kan de begynne å bevege seg i flokk, omtrent som fisker i en stim. Dette skjer når de danner et såkalt Bose-Einstein-kondensat – alle atomene havner i samme kvantetilstand, og oppfører seg som om de skulle være ett stort atom. Superfluid helium er altså en kvanteeffekt – vi klarer ikke å forstå denne egenskapen uten kvantemekanikk. Knapt nok med.

Superflytende helium er altså virkelig - og viktig - nok. Men hvis noe er flytende så bør det vel også kunne fryse til et fast stoff, slik vann kan fryse til is?

Superfast helium - drøm eller virkelighet?

Teoretikere som studerte heliums egenskaper kom tidlig med en forutsigelse. Ble det bare kaldt nok, så burde noen av atomene i superflytende helium binde seg sammen, som atomer i et krystall eller et annet fast stoff gjerne gjør. Da vil vi få nok en sær egenskap, nemlig at dette heliumkrystallet - kalt superfast (“supersolid”) helium - vil kunne gli gjennom resten av det superflytende heliumet uten motstand.

Vanskelig? Ja. Se denne animasjonen, så kanskje det blir klarere.

Hvis du er litt bevandret i fysikkens lover, så vil kanskje videoen over gi deg ideen til et eksperiment du kan gjøre for å sjekke om superfast helium finnes.

Tenk deg at du sitter på en huske, men i steden for å huske frem og tilbake så får du den til å snurre rundt. Du surrer deg opp så langt du klarer en vei, og slipper opp med bena. (Du har gjort det du også, ikke sant?) Da vil du begynne å snurre, og du vil fortsette helt til husketauet har snurret seg opp et stykke motsatt vei. Så snurrer du tilbake. Og så videre, helt til all energien er tatt opp av friksjon i tauet.

Det du da laget av deg selv var det fysikere kaller en torsjonspendel. I 2004 laget Eun-Seong Kim og Moses Chan ved Pennsylvania State University en slik av superflytende helium liggende i et slags porøst glass. De kjølte den så ned så mye som de klarte, med det håp at noe av heliumet skulle fryse til et supersolid. I såfall ville det merkes på hvor fort pendelen skrudde seg frem og tilbake. Hvorfor? Jo, fordi litt av stoffet plutselig kan skli gjennom resten uten motstand - omtrent som om de indre organene dine bare fortsatte mot venstre på huska mens du begynte å rotere mot høyre. (Og sånn føles det kanskje etter hvert også, eller hva?)

Superfast helium oppdaget - og så ikke oppdaget likevel

Kim og Chan fant akkurat det de så etter. Rotasjonen endret hastighet slik det ble forutsagt av teorien, og alle gratulerte dem med en stor oppdagelse. Flere andre laboratorier gjentok eksperimentet, og også de så denne typen oppførsel. Superfast helium ble regnet som godt etablert.

Så, i 2007, kom en par andre fysikere,  James Day og John Beamish ved University of Alberta i Canada, med litt kaldt vann til å helle i de roterende indre organene. Hva om, spurte de, kaldt helium blir seigt og litt hardt men ikke egentlig superfast på den spennende måten? Hva vil da resultatet av eksperimentet med torsjonspendelen bli? Faktisk omtrent det samme. De hadde med andre ord vist at eksperimentet ikke var godt nok - det fantes flere typer egenskaper som kunne føre til samme resultat.

Her skjedde det så noe viktig. Når fysikere får denne typen utfordring mot resultatene sine så er det egentlig bare en ting å gjøre. De må bygge et bedre eksperiment som fjerner problemet, og se hva svaret da blir. Moses Chan, en av de opprinnelige “oppdagerne” av superfast helium, gjorde akkurat dette, og 5. oktober 2012 publiserte han svaret i journalen Physical Rewiew Letters.

Tittelen på artikkelen sier alt: “Absence of Supersolidity in Solid Helium in Porous Vycor Glass”. Det nye eksperimentet, der det ikke etterlates noe rom for et eventuelt seigt helium til å plaske rundt, viser ikke superfaste egenskaper. Chan har dermed drept sin egen oppdagelse. Det må ha vært vondt, men det står stor respekt av å gjøre nettopp dette.

Superfast helium - kan det gjenoppdages?

…men er superfast helium drept av den grunn? Nei, absolutt ikke. Forutsigelsen om at helium skal kunne ha denne typen egenskaper består. Det Chan har vist er bare at han og kollegene ikke fikk til å lage det i deres type eksperiment. Ingen har sagt at det ikke kan oppdages på andre måter. Eun-Seong Kim, Chans kollega på den opprinnelige artikkelen, gjør i dag en serie helt andre eksperiementer der han ser hint av supersoliditet som ikke har problemene nevnt over. Tiden vil vise om superfast helium kan gjenoppdages på en mer solid måte.

Det er synd at vi ikke har sett superfast helium (enda) - det ville vært et tøft stoff å jobbe videre med. Likevel er det mye lærdom som kan trekkes av episoden. Nobelprisen i fysikk 2012 gjorde ære på (blant annet) oppdagelser gjort for mer enn 20 år siden. Det hører til sjeldenhetene at oppdagelser som er mindre enn ti år gamle får den gjeve prisen. Grunnen ser vi av supersoliditetsfadesen. Noe kan “oppdages”, bli “bekreftet”, og så avkreftes igjen som en del av helt vanlig vitenskapelig prosess - men i fysikken tar ting tid. Det første eksperimentet tok tid å lage, det tok tid å formulere innvendingene, og det tok tid å lage det forbedrede eksperimentet. Totalt rundt ti år. Nobelkomiteen har envher grunn til å være konservative når de tildeler vitenskapens mest høythengende frukt - Nobels gullmedalje og en tur til Stockholm. Vil noen en gang få dette for superfast helium? Det må vi nå vente minst ti-tyve år til for å finne ut.