O que é um superfluido?

Um superfluido é uma fase de matéria capaz de fluir infinitamente sem perda de energia. Essa propriedade de certos isótopos foi descoberta por Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen e Don Misener em 1937. Ela foi alcançada em temperaturas muito baixas com pelo menos dois isótopos de hélio, um isótopo de rubidium e um isotópio de loithium.

Somente líquidos e gases podem ser superfluidos. Por exemplo, o ponto de congelamento de Helium é de 1 K (Kelvin) e 25 atmosferas de pressão, o mais baixo de qualquer elemento, mas a substância começa a exibir propriedades supurantes em cerca de 2 K. A transição de fase ocorre quando todos os átomos constituintes de uma amostra começam a ocupar o mesmo estado quântico. Isso acontece quando os átomos são colocados muito próximos e resfriados tanto que suas funções de onda quântica começam a se sobrepor e os átomos perdem suas identidades individuais, comportando-se mais como um único super-átomo do que uma aglomeração de átomos.

Um fator limitante no qual os materiais podem exibir supluidade e que não podem ser que o material deve estar muito frio (menos de 4 k) e permanecer fluido a essa temperatura fria. Os materiais que se tornam sólidos em baixas temperaturas não podem assumir esta fase. Quando resfriado a temperaturas muito baixas, um conjunto de bósons pronto para o superfluido, átomos com um número par de núcleons, se forma em um condensado de Bose-Einstein, uma fase superfluida da matéria. Quando os férmions, átomos com um número ímpar de núcleons como o isótopo de hélio-3, são resfriados a alguns Kelvin, isso não é suficiente para causar essa transição.

Como apenas os bósons podem se tornar prontamente um condensado de Bose-Einstein, os férmions devem primeiro se unir para se tornar um superfluido. Esse processo é semelhante ao emparelhamento cooper de elétrons que ocorre em supercondutores. Quando dois átomos com números ímpares de núcleos se combinam, eles possuem coletivamente um entorpecidode núcleons e começa a se comportar como bósons, condensando juntos em um estado superfluido. Isso é chamado de condensado de Fermion e emerge apenas no nível de temperatura MK (Millikelvin), em vez de em alguns Kelvins. A principal diferença entre o emparelhamento de átomos em um emparelhamento superfluido e de elétrons em um supercondutor é que o emparelhamento atômico é mediado por flutuações quânticas em vez de troca de fonon (energia vibratória).

Os superfluidos têm algumas propriedades impressionantes e únicas que as distinguem de outras formas de matéria. Como eles não têm viscosidade interna, um vórtice formado dentro de um persiste para sempre. Um superfluido possui entropia termodinâmica zero e condutividade térmica infinita, o que significa que nenhum diferencial de temperatura pode existir entre dois superfluidos ou duas partes do mesmo. Eles também podem subir e sair de um recipiente em uma camada de um átomo de espessura se o recipiente não estiver selado. Uma molécula convencional incorporada em um superfluido pode se mover com plenoLiberdade rotacional, se comportando como um gás. Outras propriedades interessantes podem ser descobertas no futuro.

A maioria dos chamados superfluidos não é pura, mas é de fato uma mistura de um componente fluido e um componente superfluido. As aplicações em potencial dos superfluidas não são tão emocionantes e abrangentes quanto as dos supercondutores, mas as geladeiras e a espectroscopia de diluição são duas áreas onde encontraram uso. Talvez a aplicação mais interessante hoje seja puramente educacional, mostrando como os efeitos quânticos podem se tornar macroscópicos em escala sob certas condições extremas.