Helio-4 superfluido (helio II o He-II) es la forma superfluido del helio-4, el isótopo más común del elemento helio. La sustancia, que se asemeja a otros líquidos como el helio I (helio líquido convencional, no superfluido), fluye sin fricción por cualquier superficie, lo que le permite continuar circulando sobre obstrucciones y a través de poros en los contenedores que lo contienen, sujeto solo a su propia inercia.
La formación del superfluido es una manifestación de la formación de un condensado de Bose-Einstein de átomos de helio. Esta condensación ocurre en el helio-4 líquido a una temperatura mucho más alta (2.17 K) que en el helio-3 (2.5 mK) porque cada átomo de helio-4 es una partícula bosón, en virtud de su espín cero. El helio-3, sin embargo, es una partícula fermión, que puede formar bosones solo al parearse consigo misma a temperaturas mucho más bajas, en un proceso más débil que es similar al pareo de electrones en la superconductividad.
Historia Conocido como un aspecto principal en el estudio de la hidrodinámica cuántica y los fenómenos cuánticos macroscópicos, el efecto de superfluidez fue descubierto por Pyotr Kapitsa, John F. Allen y Don Misener en 1937. Onnes posiblemente observó la transición de fase superfluida el 2 de agosto de 1911, el mismo día que observó la superconductividad en el mercurio. Desde entonces ha sido descrito a través de teorías fenomenológicas y microscópicas.
En la década de 1950, Hall y Vinen realizaron experimentos que establecieron la existencia de líneas de vórtice cuantizado en el helio superfluido. En la década de 1960, Rayfield y Reif establecieron la existencia de anillos de vórtice cuantizados. Packard ha observado la intersección de líneas de vórtice con la superficie libre del fluido, y Avenel y Varoquaux han estudiado el efecto Josephson en el helio-4 superfluido. En 2006, un grupo en la Universidad de Maryland visualizó vórtices cuantizados utilizando pequeñas partículas trazadoras de hidrógeno sólido.
A principios de la década de 2000, los físicos crearon un condensado fermiónico a partir de pares de átomos fermiónicos ultrafríos. Bajo ciertas condiciones, los pares de fermiones forman molécula diatómicas y experimentan condensación de Bose-Einstein. En el otro límite, los fermiones (más notablemente electrones superconducutores) forman pares de Cooper que también exhiben superfluidez. Este trabajo con gases atómicos ultrafríos ha permitido a los científicos estudiar la región entre estos dos extremos, conocida como el cruce BEC-BCS.
Los supersólidos también podrían haber sido descubiertos en 2004 por físicos de la Universidad Estatal de Pensilvania. Cuando el helio-4 se enfría por debajo de aproximadamente 200 mK bajo altas presiones, una fracción (≈1%) del sólido parece volverse superfluido.Moses Chan's Research Group. "Supersolid." Penn State University, 2004. Al enfriar rápidamente o alargar el tiempo de recocido, aumentando o disminuyendo la densidad de defectos respectivamente, se mostró, mediante experimento de oscilador torsional, que la fracción supersólida podría variar desde 20% hasta completamente inexistente. Esto sugirió que la naturaleza supersólida del helio-4 no es intrínseca al helio-4 sino una propiedad del helio-4 y el desorden. Algunas teorías emergentes postulan que la señal supersólida observada en el helio-4 fue en realidad una observación de un estado de supervidrio o límites de grano intrínsecamente superfluidos en el cristal de helio-4.
Aplicaciones Recientemente en el campo de la química, el helio-4 superfluido se ha utilizado con éxito en técnicas espectroscópicas como un disolvente cuántico. Denominada espectroscopía de gotas de helio superfluido (SHeDS), es de gran interés en estudios de moléculas de gas, ya que una molécula única solvada en un medio superfluido permite que la molécula tenga libertad rotacional efectiva, permitiéndole comportarse de manera similar a como lo haría en la fase «gaseosa». Las gotas de helio superfluido también tienen una temperatura característica de aproximadamente 0.4 K que enfría la(s) molécula(s) solvada(s) a su estado rovibrónico fundamental o casi fundamental.
Los superfluidos también se utilizan en dispositivos de alta precisión como giróscopos, que permiten la medición de algunos efectos gravitacionales teóricamente predichos (por ejemplo, ver Gravity Probe B).
El Satélite Astronómico Infrarrojo IRAS, lanzado en enero de 1983 para recopilar datos infrarrojos, fue enfriado por 73 kilogramos de helio superfluido, manteniendo una temperatura de . Cuando se usa en conjunto con helio-3, temperaturas tan bajas como 40 mK se logran rutinariamente en experimentos de temperatura extremadamente baja. El helio-3, en estado líquido a 3.2 K, puede evaporarse en el helio-4 superfluido, donde actúa como un gas debido a las propiedades de este último como condensado de Bose-Einstein. Esta evaporación extrae energía del sistema general, que puede bombearse de una manera completamente análoga a las técnicas de refrigeración normales.
La tecnología de helio superfluido se usa para extender el rango de temperatura de crioenfriadores a temperaturas más bajas. Hasta ahora, el límite es 1.19 K, pero hay potencial para alcanzar 0.7 K.
Propiedades
Los superfluidos, como el helio-4 por debajo del punto lambda (conocido, por simplicidad, como helio II), exhiben muchas propiedades inusuales. Un superfluido actúa como si fuera una mezcla de un componente normal, con todas las propiedades de un fluido normal, y un componente superfluido. El componente superfluido tiene viscosidad cero y entropía cero. La aplicación de calor a un punto en el helio superfluido resulta en un flujo del componente normal que se encarga del transporte de calor a una velocidad relativamente alta (hasta 20 cm/s) lo que lleva a una conductividad térmica efectiva muy alta.
Flujo de película
Muchos líquidos ordinarios, como el alcohol o el petróleo, trepan por paredes sólidas, impulsados por su tensión superficial. El helio líquido también tiene esta propiedad, pero, en el caso de He-II, el flujo del líquido en la capa no está restringido por su viscosidad sino por una velocidad crítica que es de aproximadamente 20 cm/s. Esta es una velocidad bastante alta, por lo que el helio superfluido puede fluir relativamente fácilmente por la pared de los contenedores, por arriba, y hacia abajo al mismo nivel que la superficie del líquido dentro del contenedor, en un efecto sifón. Sin embargo, se observó que el flujo a través de membranas nanoporosas se restringe si el diámetro del poro es menor de 0.7 nm (es decir, aproximadamente tres veces el diámetro clásico del átomo de helio), sugiriendo que las propiedades hidrodinámicas inusuales de He surgen a una escala mayor que en el helio líquido clásico.
Rotación Otra propiedad fundamental se hace visible si un superfluido se coloca en un contenedor rotatorio. En lugar de rotar uniformemente con el contenedor, el estado rotatorio consiste en vórtices cuantizados. Es decir, cuando el contenedor se rota a velocidades por debajo de la primera velocidad angular crítica, el líquido permanece perfectamente estacionario. Una vez que se alcanza la primera velocidad angular crítica, el superfluido formará un vórtice. La fuerza del vórtice está cuantizada, es decir, un superfluido solo puede girar en ciertos valores «permitidos». La rotación en un fluido normal, como el agua, no está cuantizada. Si la velocidad de rotación se aumenta, se formarán más vórtices cuantizados que se arreglarán en patrones bonitos similares a la red de Abrikosov en un superconductor.
Comparación con helio-3 Aunque las fenomenologías de los estados superfluidos del helio-4 y el helio-3 son muy similares, los detalles microscópicos de las transiciones son muy diferentes. Los átomos de helio-4 son bosones, y su superfluidez puede entenderse en términos de las estadísticas de Bose-Einstein que obedecen. Específicamente, la superfluidez del helio-4 puede considerarse como una consecuencia de la condensación de Bose-Einstein en un sistema interactuante. Por otro lado, los átomos de helio-3 son fermiones, y la transición superfluida en este sistema se describe por una generalización de la teoría BCS de la superconductividad. En ella, el pareo de Cooper tiene lugar entre átomos en lugar de electrónes, y la interacción atractiva entre ellos es mediada por fluctuaciones de espín en lugar de fonónes. (Ver condensado fermiónico.) Una descripción unificada de la superconductividad y la superfluidez es posible en términos de rotura de simetría gauge.
Teoría macroscópica
Termodinámica
La figura 1 es el diagrama de fases de 4He. Es un diagrama presión-temperatura (p-T) que indica las regiones sólida y líquida separadas por la curva de fusión (entre el estado líquido y sólido) y la región líquida y gaseosa, separadas por la línea de presión de vapor. Esta última termina en el punto crítico donde la diferencia entre gas y líquido desaparece. El diagrama muestra la propiedad notable de que 4He es líquido incluso en el cero absoluto. 4He es sólido solo a presiones por encima de 25 bar.
La figura 1 también muestra la línea λ. Esta es la línea que separa dos regiones fluidas en el diagrama de fases indicadas por He-I y He-II. En la región He-I el helio se comporta como un fluido normal; en la región He-II el helio es superfluido.
El nombre línea lambda proviene del gráfico de calor específico – temperatura que tiene la forma de la letra griega λ. Ver la figura 2, que muestra un pico en 2.172 K, el llamado punto λ de 4He.
Por debajo de la línea lambda el líquido puede describirse por el llamado modelo de dos fluidos. Se comporta como si consistiera en dos componentes: un componente normal, que se comporta como un fluido normal, y un componente superfluido con viscosidad cero y entropía cero. Las proporciones de las densidades respectivas ρn/ρ y ρs/ρ, con ρn (ρs) la densidad del componente normal (superfluido), y ρ (la densidad total), dependen de la temperatura y se representan en la figura 3.E.L. Andronikashvili Zh. Éksp. Teor. Fiz, Vol.16 p.780 (1946), Vol.18 p. 424 (1948) Al bajar la temperatura, la fracción de la densidad superfluida aumenta de cero en Tλ a uno en cero kelvins. Por debajo de 1 K el helio es casi completamente superfluido.
Es posible crear ondas de densidad del componente normal (y por lo tanto del componente superfluido ya que ρn + ρs = constante) que son similares a ondas de sonido ordinarias. Este efecto se llama segundo sonido. Debido a la dependencia de la temperatura de ρn (figura 3) estas ondas en ρn también son ondas de temperatura.
Hidrodinámica superfluida La ecuación de movimiento para el componente superfluido, en una forma algo simplificada,S. J. Putterman (1974), Superfluid Hydrodynamics (Amsterdam: North-Holland) . se da por la ley de Newton
La masa es la masa molar de 4He, y es la velocidad del componente superfluido. El derivado temporal es el llamado derivado hidrodinámico, es decir, la tasa de aumento de la velocidad cuando se mueve con el fluido. En el caso de 4He superfluido en el campo gravitacional, la fuerza se da porLandau, L. D. (1941), "The theory of superfluidity of helium II", Journal of Physics, Vol. 5, Academy of Sciences of the USSR, p. 71.Khalatnikov, I. M. (1965), An introduction to the theory of superfluidity (New York: W. A. Benjamin), .
En esta expresión es el potencial químico molar, la aceleración gravitacional, y la coordenada vertical. Así, obtenemos la ecuación que establece que la termodinámica de una cierta constante será ampliada por la fuerza de la aceleración gravitacional natural
La Ec. solo se mantiene si está por debajo de un cierto valor crítico, que usualmente está determinado por el diámetro del canal de flujo.