¿Qué es un superfluido?
Un superfluido es una fase de materia capaz de fluir sin cesar sin pérdida de energía. Esta propiedad de ciertos isótopos fue descubierta por Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen y Don Misener en 1937. Se ha logrado a temperaturas muy bajas con al menos dos isótopos de helio, un isótopo de rubidio y un isótopo de litio.
Solo los líquidos y los gases pueden ser superfluidos. Por ejemplo, el punto de congelación de Helium es 1 K (Kelvin) y 25 atmósferas de presión, el más bajo de cualquier elemento, pero la sustancia comienza a exhibir propiedades superfluas a aproximadamente 2 K. La transición de fase ocurre cuando todos los átomos constituyentes de una muestra comienzan a ocupar el mismo estado cuántico. Esto sucede cuando los átomos se colocan muy juntos y se enfrían tanto que sus funciones de onda cuántica comienzan a superponerse y los átomos pierden sus identidades individuales, comportándose más como un solo súper átomo que una aglomeración de átomos.
Un factor limitante en el que los materiales pueden exhibir superfluidez y que no puede es que el material debe ser muy frío (menos de 4 k) y permanecer fluido a esta temperatura fría. Los materiales que se vuelven sólidos a bajas temperaturas no pueden asumir esta fase. Cuando se enfría a temperaturas muy bajas, un conjunto de bosones listos para superfluidos, átomos con un número uniforme de nucleones, se forma en un condensado de Bose-Einstein, una fase superfluida de la materia. Cuando los fermiones, los átomos con un número impar de nucleones como el isótopo de helio-3 se enfrían a unos pocos Kelvin, esto no es suficiente para causar esta transición.
Debido a que solo los bosones pueden convertirse fácilmente en un condensado de Bose-Einstein, los fermiones primero deben emparejarse entre sí para convertirse en un superfluido. Este proceso es similar al emparejamiento Cooper de electrones que ocurre en los superconductores. Cuando dos átomos con números impares de nucleones se combinan entre sí, colectivamente poseen un en entumecimiento uniformeer de nucleones y comienzan a comportarse como bosones, condensándose juntos en un estado superfluido. Esto se llama condensado de Fermion y emerge solo en el nivel de temperatura MK (Millikelvin) en lugar de en unos pocos kelvins. La diferencia clave entre el emparejamiento de átomos en un superfluido y el emparejamiento de electrones en un superconductor es que el emparejamiento atómico está mediado por fluctuaciones de espín cuándo en lugar de por el intercambio de fonones (energía vibratoria).
.Los superfluidos tienen algunas propiedades impresionantes y únicas que los distinguen de otras formas de materia. Debido a que no tienen viscosidad interna, un vórtice formado dentro de uno persiste para siempre. Un superfluido tiene una entropía termodinámica cero y una conductividad térmica infinita, lo que significa que no puede existir ningún diferencial de temperatura entre dos superfluidos o dos partes de la misma. También pueden subir y salir de un recipiente en una capa de un átomo de espesor si el contenedor no está sellado. Una molécula convencional incrustada dentro de un superfluido puede moverse con completolibertad rotacional, comportarse como un gas. Se pueden descubrir otras propiedades interesantes en el futuro.
La mayoría de los llamados superfluidos no son puros, pero de hecho son una mezcla de un componente fluido y un componente de superfluidos. Las aplicaciones potenciales de los superfluidos no son tan emocionantes y amplios como las de los superconductores, pero los refrigeradores y espectroscopía de dilución son dos áreas donde han encontrado el uso. Quizás la aplicación más interesante hoy en día es puramente educativa, que muestra cómo los efectos cuánticos pueden convertirse en una escala macroscópica bajo ciertas condiciones extremas.