Toen Cornell-natuurkundigen Robert Richardson, David Lee en Douglas Osheroff ontvingen in 1996 de Nobelprijs voor hun ontdekking van de supervloeibare toestand van vloeibaar helium, het was nog maar het begin. Nu een nieuw team van Cornell-onderzoekers, voortbouwend op dat werk, nieuwe complexiteiten hebben ontdekt in het fenomeen, met implicaties voor de studie van supergeleiding en theoretische modellen van de oorsprong van het heelal.

"We wilden nieuwe faseovergangen zien, " zei Jeevak Parpia, hoogleraar natuurkunde. Zoals later bleek, hij zag een meer "efficiënte" overgang in vergelijking met alle eerder waargenomen in helium.

De resultaten worden op 3 juli gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie . Parpia en zijn onderzoeksgroep werkten samen met een groep onder leiding van John Saunders, hoogleraar natuurkunde, bij Royal Holloway, Universiteit van Londen.

Wanneer de isotoop van helium, bekend als helium-3, wordt afgekoeld tot 3,2 graden boven het absolute nulpunt, verandert het van gas in vloeistof - wat natuurkundigen een 'verandering van toestand' noemen. Koel het verder af - tot ongeveer een duizendste graad boven het absolute nulpunt - en het wordt een "superfluïde" die zonder weerstand uit zijn omgeving kan stromen. Als je een deel ervan in een cirkelvormig kanaal doet en het rond de cirkel laat stromen, het zal voor altijd stromen, niet vertraagd door wrijving. Dit gedrag van helium is van groot belang omdat elektronen in een supergeleider zich ook als een superfluïde gedragen, stromen zonder weerstand van de atomen in de geleider.

Om de overgang te zoeken, Parpia's onderzoeksgroep gebruikte de Cornell NanoScale Science and Technology Facility om een ​​"torsion pendulum" kop te maken, een siliciumschijf met een diameter van 14 millimeter, waarin ze een cirkelvormig kanaal van 3,5 millimeter breed etsten, het toevoegen van een glazen deksel om de holte 1,08 micron (miljoensten van een meter) hoog te maken. Door de schijf naar voren en naar achteren te draaien, stroomt het superfluïde helium rond in de holte, en de hoeveelheid die supervloeibaar is, kan worden waargenomen als een verandering in de oscillatieperiode van de schijf.

De onderzoekers observeerden de twee fasen van superfluïditeit die Richardson, Lee en Osheroff hadden gemeld, aangeduid als A en B. Ze ontdekten ook dat de A-fase "onderkoeld" kon worden, maar nergens zo veel als in grotere, omvangrijke experimenten.

Een voorbeeld van onderkoeling is te zien wanneer water wordt afgekoeld tot onder het vriespunt terwijl het nog vloeibaar blijft. Maar gooi er een klein beetje ijs of zelfs wat stof in om een ​​"kiempunt, "en het water zal bevriezen, zich van daaruit uitspreiden.

In het Cornell-experiment het helium in sommige gevallen afgekoeld tot onder de temperatuur waarbij de overgang van A naar B werd verwacht, maar bleef in de A-fase, hoewel het spontaan kan overgaan naar B. In grote systemen wordt gedacht dat zo'n spontane overgang optreedt als gevolg van een kosmische straal of een andere lokale straling die het monster is binnengekomen om als een nucleatiepunt te fungeren, of het wordt geactiveerd door trillingen. Of misschien, theoretici hadden voorgesteld, er kunnen andere tussenfasen zijn die we nog niet hebben geïdentificeerd en die de overgang helpen plaatsvinden door een proces dat 'resonante tunneling' wordt genoemd.

Parpia koos een nanogefabriceerd apparaat om het effect van opsluiting te bestuderen. In een supergeleider, elektronen voegen zich in "Cooper-paren" die magnetisch neutraal zijn en geen interactie zullen hebben met kernen in de geleider. evenzo, heliumatomen in de neutrale superfluïde paren, cirkelen om elkaar heen als gewichten aan het einde van een touw dat door de lucht wordt gegooid. De onderzoekers stelden de hoogte van het vloeistofkanaal in om vergelijkbaar te zijn met een paar van de paringsafstanden, zodat interactie tussen de paren en de muren de balans naar de A-fase over de B-fase verandert. Of er onder deze omstandigheden nieuwe fasen bestaan, is nog niet duidelijk, maar zou in vervolgonderzoek moeten blijken, zeiden de onderzoekers, die de effecten van verschillende mate van inperking zal testen.

Als de rol van tussenfasen wordt bevestigd, zeiden de onderzoekers, dit kan kosmologen helpen om te verklaren en te modelleren hoe het universum "efficiënt" evolueerde in een reeks faseovergangen tijdens de momenten na de oerknal.