La superfluidità, scoperta dal fisco russo Pëtr Leonidovič Kapica è un’area relativamente recente della fisica statistica quantistica che ha interessato ed affascinato i più grandi fisici del 1900, tra cui Feynman, Landau e Onsager.
La comprensione di questo fenomeno vede intrecciate la fluidodinamica, la meccanica statistica e la meccanica quantistica. La definizione più semplice di superfluidità è la capacità di un liquido di fluire attraverso canali stretti senza apparente attrito pertanto i superfluidi possono scorrere senza dissipare energia.
L’elio-4 fu liquefatto nel 1908, ma fu solo nel 1936 e nel 1937 che gli scienziati riconobbero che al di sotto della temperatura di 2.17 gradi assoluti possedeva proprietà diverse da qualsiasi altra sostanza conosciuta all’epoca. In particolare, la conducibilità termica della fase a bassa temperatura, ora nota come He-II, è molto grande, il che suggerisce un meccanismo di convezione, ma con una viscosità anormalmente bassa.
Nel 1938 fisco Pëtr Leonidovič Kapica a Mosca e John Allen e Don Misener dell’Università di Cambridge eseguirono contemporaneamente una misura diretta dell’andamento della viscosità dell’elio contenuto in un tubo sottile in funzione della temperatura. Entrambi i gruppi riscontrarono un calo di He-II, che è apparso in modo discontinuo alla temperatura di 2.17 gradi assoluti detta temperatura λ. Sulla base dell’analogia con la superconduttività, Kapitza coniò il termine superfluidità.
Meccanica quantistica e superfluidità
La superfluidità è spiegata dalla meccanica quantistica e coinvolge fenomeni come la condensazione di Bose–Einstein e la formazione di un ordine quantistico coerente. Nel caso dell’elio-4 superfluido, gli atomi di elio si condensano in un unico stato quantico coerente noto come condensato di Bose-Einstein, uno stato aggregato della materia che si verifica quando un insieme di bosoni, particelle con spin intero, viene raffreddato a temperature estremamente basse vicine all’assoluto zero.
Il concetto di condensato di Bose-Einstein è stato predetto teoricamente da Satyendra Nath Bose e Albert Einstein negli anni ’20 del XX secolo. La loro previsione è stata successivamente confermata sperimentalmente nel 1995, quando Eric Cornell e Carl Wieman hanno realizzato il primo condensato di Bose-Einstein utilizzando atomi di rubidio raffreddati a temperature ultra-basse.
In questo stato, tutte le particelle occupano lo stesso stato quantico più basso di energia. Ciò significa che gli atomi del condensato si comportano come una singola entità quantistica invece di particelle distinte. In un sistema quantistico coerente, le ampiezze di probabilità degli stati quantistici coinvolti interferiscono in modo costruttivo, creando un comportamento globale stabile e prevedibile. La coerenza quantistica è un concetto fondamentale della meccanica quantistica ed è associata alla sovrapposizione di stati quantistici.
Superfluidità e elio-4
L’elio-4 superfluido è uno dei più noti esempi di superfluidi. L’elio-4 è un isotopo dell’elio che, raffreddato a temperature molto basse, inferiori a circa 2.17 Kelvin dà luogo alla transizione di fase verso lo stato superfluido. A questa temperatura critica, l’elio-4 perde la sua viscosità e può fluire senza attrito viscoso, mostrando le caratteristiche della superfluidità.
Esso è in grado di fluire attraverso piccoli pori e condotti senza incontrare attrito viscoso o dissipare energia. Questo significa che può scorrere senza perdite significative, presentando una conduttività idraulica, ovvero una facilità con cui un fluido può fluire attraverso un materiale, infinita.
Quando l’elio-4 viene raffreddato a temperature molto basse e raggiunge lo stato superfluido, può raggiungere velocità di flusso superiori a quella del suono nel materiale, superando il limite imposto dalla meccanica classica. Questa velocità massima è chiamata velocità critica di Landau che, nel superfluido di elio-4, è approssimativamente di circa 70 metri al secondo.
Il superfluido di elio-4 può presentare vortici quantizzati quando viene messo in rotazione. I vortici quantizzati, che si formano in risposta alla rotazione del superfluido e sono una regione di flusso circolare localizzato che si formano quando il superfluido è messo in rotazione. Il flusso all’interno di un vortice quantizzato è quantizzato, il che significa che il flusso è vincolato a valori discreti e non può variare in modo continuo. Questa quantizzazione del flusso è una conseguenza della natura quantistica del superfluido.
I vortici quantizzati possono interagire tra loro allontanandosi o avvicinandosi, formando strutture complesse o configurazioni di vortici multipli.
La comprensione dei vortici quantizzati è cruciale per lo sviluppo di tecnologie basate sulla superfluidità e sulla superconduttività, come la progettazione di dispositivi superconduttori ad alta temperatura, i sensori magnetici ad alta sensibilità e le tecnologie di stoccaggio dell’energia