Che cos'è un superfluido?
Un superfluido è una fase della materia in grado di fluire all'infinito senza perdita di energia. Questa proprietà di alcuni isotopi fu scoperta da Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen e Don Misener nel 1937. È stata raggiunta a temperature molto basse con almeno due isotopi di elio, un isotopo di rubidio e un isotopo di litio.
Solo liquidi e gas possono essere superfluidi. Ad esempio, il punto di congelamento dell'elio è 1 K (Kelvin) e 25 atmosfere di pressione, il più basso di qualsiasi elemento, ma la sostanza inizia a mostrare proprietà superfluide a circa 2 K. La transizione di fase si verifica quando tutti gli atomi costituenti di un campione iniziano a occupano lo stesso stato quantico. Ciò accade quando gli atomi sono posti molto vicini tra loro e raffreddati così tanto che le loro funzioni d'onda quantica iniziano a sovrapporsi e gli atomi perdono la loro identità individuale, comportandosi più come un singolo superatomo che un agglomerato di atomi.
Un fattore limitante su cui i materiali possono mostrare superfluidità e che non può essere è che il materiale deve essere molto 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. Quando viene raffreddato a temperature molto basse, un insieme di bosoni pronti per il superfluido, atomi con un numero pari di nucleoni, si forma in un condensato di Bose-Einstein, una fase superfluida della materia. Quando i fermioni, atomi con un numero dispari di nucleoni come l'isotopo di elio-3, vengono raffreddati fino a qualche Kelvin, ciò non è sufficiente per causare questa transizione.
Poiché solo i bosoni possono facilmente diventare un condensato di Bose-Einstein, i fermioni devono prima accoppiarsi l'uno con l'altro per diventare un superfluido. Questo processo è simile all'associazione Cooper degli elettroni che si verifica nei superconduttori. Quando due atomi con un numero dispari di nucleoni si accoppiano tra loro, possiedono collettivamente un numero pari di nucleoni e iniziano a comportarsi come bosoni, condensandosi insieme in uno stato superfluido. Questo si chiama condensato di fermione ed emerge solo al livello di temperatura mK (milliKelvin) piuttosto che a pochi Kelvin. La differenza chiave tra l'associazione di atomi in un superfluido e l'associazione di elettroni in un superconduttore è che l'associazione atomica è mediata dalle fluttuazioni di spin quantici piuttosto che dallo scambio di fononi (energia vibratoria).
I superfluidi hanno alcune proprietà impressionanti e uniche che li distinguono da altre forme di materia. Poiché non hanno viscosità interna, un vortice formato all'interno di uno persiste per sempre. Un superfluido ha entropia termodinamica zero e conducibilità termica infinita, il che significa che non può esistere alcuna differenza di temperatura tra due superfluidi o due parti dello stesso. Possono anche arrampicarsi e uscire da un contenitore in uno strato di un atomo se il contenitore non è sigillato. Una molecola convenzionale incorporata in un superfluido può muoversi con piena libertà di rotazione, comportandosi come un gas. Altre proprietà interessanti potrebbero 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 dei superfluidi non sono così entusiasmanti e ad ampio raggio come quelle dei superconduttori, ma i frigoriferi a diluizione e la spettroscopia sono due aree in cui hanno trovato impiego. Forse l'applicazione più interessante oggi è puramente educativa, mostrando come gli effetti quantistici possano diventare macroscopici su scala in determinate condizioni estreme.