martes, 4 de marzo de 2014

Superfluidos

Esta primera entrada está dirigida a un lector con un nivel de conocimientos sobre física y química elevados (aunque los lectores con un conocimiento inferior, puede leerlo también ya que es un tema muy interesante y siempre se puede aprender algo nuevo). En este post explicaré qué son, como se originan y cómo se comportan los superfluidos. Me centraré en el He como elemento para su estudio desde el punto de vista de sus dos isótopos: el 3He (muy raro, 0.00013%)  y 4He (el isótopo mucho más común, 99.99987%).

¿Qué es un superfluido?

El término superfluido hace referencia a un estado de la materia caracterizado por una total ausencia de viscosidad. En nuestro caso de estudio, hablaremos de la superfluidez del He.

Los superfluidos se originan por el enfriamiento de nuestro sistema por debajo del punto lambda (la temperatura del punto lambda, para nuestro sistema de estudio principal, el 4He, es de 2.172K a una presión de 0.0497 atm). Por debajo de esa temperatura, el He pierde toda su viscosidad, la propiedad de la ebullición y se convierte en un superfluido, mostrando las características propias del mismo.




Al no tener viscosidad, los superfluidos pueden hacer cosas que no se pueden explicar con los modelos clásicos de la física de fluidos, es necesario acudir a modelos cuánticos para su estudio.

Uno de los ejemplos más vistosos de estas propiedades, es la capacidad de los superfluidos de trepar por las paredes de los recipientes y escapar de los mismos por agujeros microscópicos. El caso más típico para observar esto es ver como, si se deja un recipiente abierto que contiene 4He a una temperatura inferior a la del punto lambda y sin llenar del todo, se observa que se genera una película de 4He por el exterior del recipiente de unos 30nm de espesor denominada película de Rolling y que gotea (se puede ver perfectamente una gota de 4He caer de la copa a medio llenar) hasta vaciar completamente el recipiente que contiene el 4He.



Influencia del espín.

Hasta ahora, siempre que he hablado de la superfluidez del He, me he referido al 4He. Esto es debido a que, en un principio, solo se comprobó que el 4He se comportaba como un superfluido por debajo de 2.17K, mientras que el 3He no lo hacía. Esto es debido a que el 4He es una partícula bosónica (es decir, tiene espín entero) mientras que el 3He es una partícula fermiónica (es decir, su espín es semientero)

La importancia de que el 4He sea una partícula bosónica a la hora de explicar el origen de los superfluidos se encuentra en que las partículas bosónicas no se comportan como las fermiónicas y no siguen el principio de excusión de Pauli (que dice que dos partículas no pueden encontrarse en un mismo estado cuántico, es decir, no pueden tener los números cuánticos iguales), por lo que el 4He puede formar condensados de Bose-Einstein (ya que posee muchas partículas en un mismo estado cuántico) a temperaturas muy bajas, originando los superfluidos mientras que el 3He (partícula fermiónica) forma a esas temperaturas un líquido de fermi.

Debido al carácter fermiónico del 3He, se creía que no podía formar superfluidos ya que es imposible que una partícula con espín semientero forme condensados de Bose-Einstein, pero se descubrió que si se seguía bajando la temperatura, (cerca de 1K), el 3He si que mostraba propiedades de un superfluido (cosa que no debería suceder debido a su carácter fermiónico).

¿Por qué sucede esto?

A temperaturas muy bajas, dos átomos de 3He tienen a juntarse combinando sus espines y actuando como una partícula única. Al unirse dos espines semienteros se origina uno entero, es decir, la unión de dos partículas fermiónicas originan una partícula de comportamiento bosónico, por lo que el 3He puede ahora formar condensados de Bose-Einstein y comportarse como un superfluido.



Para concluir esta entrada, adjunto un vídeo en el que se puede ver el enfriamiento del He hasta llegar al punto lambda (cese del burbujeo) y alguna de las propiedades de los superfluidos (se puede ver cómo gotea He líquido de varios recipientes sin llenar)


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