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La superfluidez es una propiedad característica de los fluidos que presentan viscosidad igual a cero. Se puede entender como una forma de estado fluido en el que la materia puede fluir sin pérdida de energía cinética, lo que genera fenómenos y posibles aplicaciones muy interesantes.

La superfluidez se ha observado en dos isótopos del helio (helio-3 y helio-4) cuando se enfrían a temperaturas próximas al cero absoluto, y es también un estado de la materia teorizado u observado en astrofísica, gravedad cuántica y otras áreas de la física de partículas.

Descubrimiento en el helio-4

La superfluidez fue descubierta en el helio líquido en 1937 por Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen y Don Misener. Se considera un fenómeno macroscópico de la mecánica cuántica, y como tal también se considera uno de los primeros hitos históricos en el estudio de la hidrodinámica cuántica.

El helio-4 (4He) es el isótopo de helio más abundante, constituyendo casi la totalidad del helio que hay en la Tierra, aproximadamente el 99.99986 %. Su núcleo es una partícula alfa compuesta por 2 protones y 2 neutrones desprovista de envoltura electrónica, y se considera un bosón. No es radioactivo, aunque se forma frecuentemente en reacciones nucleares.

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Por debajo de su punto de ebullición (4.21 K, -268.94 ºC) pero por encima del llamado punto lambda (2.1768 k, -270.9732 ºC), el helio-4 se comporta como cualquier otro fluido y se denomina estado helio I. Cuando se enfría por debajo del punto lambda, parte del helio entra en el estado llamado helio II que se comporta como un superfluido. El componente superfluido va aumentando a medida que el helio se sigue enfriando.

El isótopo helio-3 (3He) también tiene una fase de superfluido pero aparece a temperaturas inferiores a las necesarias para que aparezca en el helio-4. Los fenómenos a nivel atómico y subatómico en cada uno también parecen ser diferentes. Los átomos de helio-4 se consideran bosones y su superfluidez se puede explicar a través de un condensado de Bose-Einstien. El helio-3, sin embargo, es un fermión y su superfluidez se explica a través de la teoría BCS de la superconductividad.

Propiedades más destacadas

El comportamiento del helio por debajo del punto lambda es, por tanto, una mezcla de un componente con las características de un fluido normal y de un componente superfluido. El helio superfluido puede fluir sin fricción, sin perder energía cinética, tiene viscosidad cero, entropía cero y una conductividad térmica muy elevada, superior a cualquier otra sustancia conocida.

Conductividad térmica

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La trasferencia de calor en los fluidos se produce principalmente por convección, no por conducción, y en el He-II el flujo convectivo no presenta resistencia, por eso la conductividad térmica es extremadamente elevada. Es prácticamente imposible establecer un gradiente térmico en un superfluido, de igual forma que no se puede establecer un gradiente de voltaje en un superconductor.

Efecto de deslizamiento

Una de las características más llamativas del superfluido He-II es el flujo en capa y el efecto de deslizamiento (efecto “creeping”). Cuando se coloca un fluido en un recipiente, el fluido sube por las paredes en contra de la gravedad y forma un pequeña capa (film o película de Rollin) cuya altura y espesor dependen de la tensión superficial del fluido y, por tanto, de la viscosidad.

En el He-II, cuya viscosidad es cero, el flujo en la capa de Rollin no está restringido por la tensión superficial, solo por una velocidad crítica que en el caso del He-II es igual a 20 cm/s. Esto significa que el He-II forma una capa de Rollin que no deja de fluir: en un recipiente abierto, el He-II se “derrama” de forma continua hasta que el recipiente queda vacío. También, si hay dos compartimentos conectados, el He-II fluye por las paredes en la capa de Rollin hasta igualar el nivel en los dos compartimentos haciendo un efecto sifón.

Algunas aplicaciones

  1. El superfluido de helio-4 (el estado Helio-II) es utilizado como disolvente cuántico en espectroscopía. El llamado Superfluid Helium Droplet Spectroscopy (SHeDS) es de gran interés en el estudio de moléculas gaseosas, ya que una molécula disuelta en este tipo de disolventes se comporta igual que si estuviera en fase gaseosa.
  2. Los superfluidos son útiles en giroscopios de alta precisión y permite la observación y medida de algunos efectos teóricos de la gravedad.
  3. La superconductividad térmica del He-II es utilizada en la estabilización de imanes superconductores, por ejemplo en el Gran Colisionador de Hadrones de la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), el mayor laboratorio de física de partículas del mundo.
  4. Se cree que los superfluidos pueden aparecer en el interior de estrellas de nuetrones y se han podido demostrar de forma experimental en varios gases atómicos ultrafríos, por ejemplo en gases de litio y de rubidio.
  5. La Teoría del Vacío Superfluido (Superfluid Vacuum Theory, o SVT) describe al vacío como un superfluido y es una de las teorías que intenta crear modelos para unificar la mecánica cuántica y la gravedad.

Referencias

  1. Andreas Schmitt (2014). Introduction to superfluidity. Field-theoretical approach and applications.

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