O que é um Superfluido?
Um superfluido é uma fase da 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. Foi alcançada em temperaturas muito baixas com pelo menos dois isótopos de hélio, um isótopo de rubídio e um isótopo de lítio.
Somente líquidos e gases podem ser superfluidos. Por exemplo, o ponto de congelamento do hélio é de 1 K (Kelvin) e 25 atmosferas de pressão, o menor de qualquer elemento, mas a substância começa a exibir propriedades superfluidas a cerca de 2 K. A transição de fase ocorre quando todos os átomos constituintes de uma amostra começam a ocupam o mesmo estado quântico. Isso acontece quando os átomos são colocados muito próximos uns dos outros e resfriados tanto que suas funções quânticas de onda começam a se sobrepor e os átomos perdem suas identidades individuais, comportando-se mais como um único superátomo do que uma aglomeração de átomos.
Um fator limitante sobre o qual os materiais podem exibir superfluidez e o que não pode é que o material deve estar muito muito frio (menos de 4 K) e permanecer fluido nessa temperatura fria. Os materiais que se tornam sólidos a baixas temperaturas não podem assumir essa fase. Quando resfriados a temperaturas muito baixas, um conjunto de bósons superfluidos, átomos com um número par de núcleons, forma 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 facilmente se tornar um condensado de Bose-Einstein, os férmions devem primeiro emparelhar-se entre si para se tornar um superfluido. Esse processo é semelhante ao emparelhamento de elétrons de Cooper que ocorre em supercondutores. Quando dois átomos com números ímpares de núcleons se emparelham, eles coletivamente possuem um número par de núcleons e começam a se comportar como bósons, condensando-se em um estado superfluido. Isso é chamado de condensado de férmion e emerge apenas no nível de temperatura mK (milliKelvin) e não em alguns Kelvins. A principal diferença entre o emparelhamento de átomos em um superfluido e o elétron em um supercondutor é que o emparelhamento atômico é mediado por flutuações quânticas de spin em vez de por troca de fônon (energia vibratória).
Os superfluidos têm propriedades impressionantes e únicas que os distinguem de outras formas de matéria. Por não terem 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 contêiner em uma camada de um átomo de espessura se o contêiner não estiver selado. Uma molécula convencional embutida em um superfluido pode se mover com total liberdade de rotação, comportando-se como um gás. Outras propriedades interessantes podem ser descobertas no futuro.
A maioria dos chamados superfluidos não é pura, mas na verdade é uma mistura de um componente fluido e um componente superfluido. As aplicações potenciais dos superfluidos não são tão empolgantes e abrangentes quanto as dos supercondutores, mas os refrigeradores de diluição e a espectroscopia são duas áreas em que eles 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.