Superfluidità: una scoperta rivoluzionaria di Pëtr Leonidovič Kapica
La superfluidità è un’area di ricerca recente della fisica statistica quantistica che ha affascinato i più grandi fisici del secolo scorso, tra cui illustri nomi come Feynman, Landau e Onsager. Si tratta di un fenomeno che rappresenta la capacità di un liquido di fluire attraverso canali stretti senza attrito, consentendo ai superfluidi di scorrere senza dissipare energia.
Indice Articolo
La storia della superfluidità ha inizio nel 1936, quando gli scienziati osservarono che l’elio-4 mostrava proprietà uniche al di sotto della temperatura di 2.17 gradi assoluti. Questa fase a bassa temperatura, nota come He-II, presentava una conducibilità termica elevata e una viscosità sorprendentemente bassa.
La svolta si ebbe nel 1938 quando Pëtr Leonidovič Kapica a Mosca, insieme a John Allen e Don Misener dell’Università di Cambridge, condussero esperimenti che portarono alla scoperta della superfluidità. La temperatura critica di transizione, nota come temperatura λ, fu identificata come 2.17 gradi assoluti, momento in cui la viscosità di He-II diminuiva in modo discontinuo.
Meccanica quantistica e superfluidità
La superfluidità è una manifestazione della meccanica quantistica che coinvolge la condensazione di Bose-Einstein e la formazione di un ordine quantistico coerente. Nel caso dell’elio-4 superfluido, gli atomi si condensano in uno stato quantico coerente chiamato condensato di Bose-Einstein, che si verifica a temperature estremamente basse vicine allo zero assoluto.
Il condensato di Bose-Einstein fu teorizzato da Satyendra Nath Bose e Albert Einstein negli anni ’20 e fu confermato sperimentalmente nel 1995 da Eric Cornell e Carl Wieman utilizzando atomi di rubidio raffreddati a temperature ultra-basse. In questo stato, tutte le particelle occupano lo stesso stato quantico più basso di energia, comportandosi come un’unica entità quantistica anziché singole particelle distinte.
La Coerenza Quantistica in Meccanica Quantistica
La coerenza quantistica rappresenta un principio fondamentale della meccanica quantistica, caratterizzato dall’interferenza costruttiva delle ampiezze di probabilità degli stati quantistici. Questo fenomeno contribuisce a creare comportamenti globali prevedibili e stabili all’interno dei sistemi quantistici. La coerenza quantistica è strettamente legata alla sovrapposizione degli stati quantistici.
Superfluidità nell’elio-4
Uno dei casi più noti di superfluidità è rappresentato dall’elio-4 superfluido. Questo isotopo dell’elio raggiunge uno stato superfluido quando è raffreddato a temperature inferiori a circa 2.17 Kelvin. A questa temperatura critica, l’elio-4 perde la viscosità e può fluire senza attrito, manifestando le proprietà distintive della superfluidità.
Caratteristiche dell’Elgio-4 Superfluido
L’elio-4 superfluido è in grado di scorrere attraverso condotti e pori senza attrito viscoso e senza dissipare energia. Ciò significa che può fluire senza subire perdite significative, presentando un’infinita conduttività idraulica.
Vortici Quantizzati
Quando l’elio-4 superfluido viene messo in rotazione, possono formarsi i cosiddetti vortici quantizzati. Queste regioni di flusso circolare localizzato sono quantizzate, il che implica che il flusso all’interno di un vortice è vincolato a valori discreti, non variando in modo continuo. Tale quantizzazione del flusso è una diretta conseguenza della natura quantistica del superfluido.
Applicazioni Tecnologiche della Superfluidità
La comprensione e lo studio dei vortici quantizzati sono essenziali per lo sviluppo di tecnologie basate sulla superfluidità e superconduttività. Queste tecnologie includono la progettazione di dispositivi superconduttori ad alta temperatura, sensori magnetici altamente sensibili e sistemi di stoccaggio dell’energia.
Le ricerche nel campo della superfluidità e dei vortici quantizzati continuano a offrire spunti innovativi per la creazione di nuove tecnologie e applicazioni avanzate in diversi settori industriali e scientifici.
