Cos'è un superfluido?

Un superfluido è una fase di materia in grado di scorrere all'infinito senza perdita di energia.Questa proprietà di alcuni isotopi è stata scoperta da Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen e Don Misener nel 1937. È stato raggiunto a temperature molto basse con almeno due isotopi di elio, un isotopico di Rubidium e un isotopo di litio.

Solo i liquidi e i gas possono essere superfluidi.Ad esempio, il punto di congelamento degli elium è 1 K (Kelvin) e 25 atmosfere di pressione, la più bassa di qualsiasi elemento, ma la sostanza inizia a esibire proprietà superfluide a circa 2 K. La transizione di fase si verifica quando tutti gli atomi costituenti di un campione iniziano aOccupa lo stesso stato quantico.Ciò accade quando gli atomi vengono posizionati molto vicini e si sono raffreddati così tanto che le loro funzioni di onda quantistica iniziano a sovrapporsi e gli atomi perdono le loro identità individuali, comportandosi più come un singolo super-atomo di un agglomerato di atomi.

un fattore limitantesu cui i materiali possono presentare superfluidità e che non può essere che il materiale deve essere molto freddo (meno di 4 K) e rimanere fluido a questa temperatura fredda.I materiali che diventano solidi a basse temperature non possono assumere questa fase.Se raffreddato a temperature molto basse, un insieme di bosoni pronti per il superfluide, atomi con un numero pari di nucleoni, si forma in un condensato Bose-Einstein, una fase superfluida della materia.Quando le fermioni, gli atomi con un numero dispari di nucleoni come l'isotopo di elio-3, vengono raffreddati a pochi kelvin, questo non è sufficiente per causare questa transizione.

Poiché solo i bosoni possono diventare prontamente una condensa di Bose-Einstein, le fermioni devono prima accoppiarsi tra loro per diventare un superfluido.Questo processo è simile all'abbinamento Cooper di elettroni che si verificano nei superconduttori.Quando due atomi con un numero dispari di nucleoni si accoppiano tra loro, possiedono collettivamente un numero uniforme di nucleoni e iniziano a comportarsi come bosoni, condensando insieme in uno stato superfluido.Questo è chiamato condensa di Fermion ed emerge solo al livello di temperatura MK (Millikelvin) piuttosto che ad alcuni Kelvins.La differenza chiave tra l'accoppiamento di atomi in un accoppiamento di superfluidi ed elettroni in un superconduttore è che l'accoppiamento atomico è mediato da fluttuazioni di rotazione quantistica piuttosto che dallo scambio di fononi (energia vibratoria).forme di materia.Poiché non hanno viscosità interna, un vortice formato all'interno di uno persiste per sempre.Un superfluide ha entropia termodinamica zero e conduttività termica infinita, il che significa che non può esistere alcun differenziale di temperatura tra due superfluidi o due parti della stessa.Possono anche arrampicarsi su e uscire da un contenitore in uno strato di uno spessore di un atomo se il contenitore non è sigillato.Una molecola convenzionale incorporata all'interno di un superfluide può muoversi con piena libertà di rotazione, comportandosi come un gas.Altre proprietà interessanti possono essere scoperte in futuro.

La maggior parte dei cosiddetti superfluidi non sono puri, ma in realtà sono una miscela di un componente fluido e un componente superfluido.Le potenziali applicazioni di superfluidi non sono così eccitanti e ampie come quelle dei superconduttori, ma i frigoriferi e la spettroscopia di diluizione sono due aree in cui hanno trovato uso.Forse l'applicazione più interessante oggi è puramente educativa, mostrando come gli effetti quantistici possano diventare macroscopici in scala in determinate condizioni estreme.