La superfluidez es la propiedad característica de un fluido de viscosidad nula que, por tanto, fluye sin pérdida de energía cinética . Cuando se agita, un superfluido forma vórtices que continúan girando indefinidamente. La superfluidez ocurre en dos isótopos de helio ( helio-3 y helio-4 ) cuando se licúan por enfriamiento a temperaturas criogénicas . También es una propiedad de varios otros estados exóticos de la materia que se teorizan en astrofísica , física de altas energías y teorías de la gravedad cuántica.. [1] La teoría de la superfluidez fue desarrollada por los físicos teóricos soviéticos Lev Landau e Isaak Khalatnikov .
La superfluidez suele coincidir con la condensación de Bose-Einstein , pero ninguno de los fenómenos está directamente relacionado con el otro; no todos los condensados de Bose-Einstein pueden considerarse superfluidos, y no todos los superfluidos son condensados de Bose-Einstein. [2]
Superfluidez del helio líquido
La superfluidez fue descubierta originalmente en el helio líquido por Pyotr Kapitsa y John F. Allen . Desde entonces se ha descrito a través de la fenomenología y las teorías microscópicas. En el helio-4 líquido , la superfluidez se produce a temperaturas mucho más altas que en el helio-3 . Cada átomo de helio-4 es una partícula de bosón , en virtud de su espín entero . Un átomo de helio-3 es una partícula de fermión ; sólo puede formar bosones emparejándose con otra partícula como ella a temperaturas mucho más bajas. El descubrimiento de la superfluidez en el helio-3 fue la base para la concesión del Premio Nobel de Física de 1996 . [1] Este proceso es similar al emparejamiento de electrones en la superconductividad .
Gases atómicos ultrafríos
La superfluidez en un gas fermiónico ultrafrío fue probada experimentalmente por Wolfgang Ketterle y su equipo, quienes observaron vórtices cuánticos en 6 Li a una temperatura de 50 nK en el MIT en abril de 2005. [3] [4] Estos vórtices se habían observado previamente en un bosónico ultrafrío. gas utilizando 87 Rb en 2000, [5] y más recientemente en gases bidimensionales . [6] Ya en 1999, Lene Hau creó tal condensado usando átomos de sodio [7] con el propósito de ralentizar la luz y luego detenerla por completo. [8] Su equipo utilizó posteriormente este sistema de luz comprimida [9] para generar el superfluido análogo de ondas de choque y tornados: [10]
Estas excitaciones dramáticas dan como resultado la formación de solitones que a su vez se descomponen en vórtices cuantificados —creados fuera del equilibrio, en pares de circulación opuesta— revelando directamente el proceso de descomposición de superfluidos en los condensados de Bose-Einstein. Con una configuración de doble barrera de luz, podemos generar colisiones controladas entre ondas de choque que resultan en excitaciones no lineales completamente inesperadas. Hemos observado estructuras híbridas que consisten en anillos de vórtice incrustados en conchas solitónicas oscuras. Los anillos de vórtice actúan como "hélices fantasma" que conducen a una dinámica de excitación muy rica.
- Lene Hau, Conferencia SIAM sobre ondas no lineales y estructuras coherentes
Superfluidos en astrofísica
La idea de que existe superfluidez dentro de las estrellas de neutrones fue propuesta por primera vez por Arkady Migdal . [11] [12] Por analogía con los electrones dentro de los superconductores que forman pares de Cooper debido a la interacción de la red de electrones, se espera que los nucleones en una estrella de neutrones a una densidad suficientemente alta y baja temperatura también puedan formar pares de Cooper debido al atractivo de largo alcance. fuerza nuclear y conducen a superfluidez y superconductividad. [13]
En física de altas energías y gravedad cuántica
La teoría del vacío superfluido (SVT) es un enfoque de la física teórica y la mecánica cuántica en el que el vacío físico se considera superfluido.
El objetivo final del enfoque es desarrollar modelos científicos que unifican la mecánica cuántica (describiendo tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas) con la gravedad . Esto convierte a SVT en un candidato para la teoría de la gravedad cuántica y una extensión del Modelo Estándar .
Se espera que el desarrollo de tal teoría se unifique en un solo modelo consistente de todas las interacciones fundamentales, y describa todas las interacciones conocidas y partículas elementales como diferentes manifestaciones de la misma entidad, el vacío superfluido.
A escala macro, se ha sugerido que ocurre un fenómeno similar más grande en las murmuraciones de los estorninos . La rapidez del cambio en los patrones de vuelo imita el cambio de fase que conduce a la superfluidez en algunos estados líquidos. [14]
Ver también
- Boojum (superfluidez)
- Física de la Materia Condensada
- Fenómenos cuánticos macroscópicos
- Hidrodinámica cuántica
- Luz lenta
- Superconductividad
- Supersólido
Referencias
- ^ a b "El premio Nobel de física 1996 - información avanzada" . www.nobelprize.org . Consultado el 10 de febrero de 2017 .
- ^ Minkel, JR. "Extraño pero cierto: el helio superfluido puede trepar paredes" . Scientific American . Consultado el 10 de febrero de 2017 .
- ^ "Los físicos del MIT crean una nueva forma de materia" . Consultado el 22 de noviembre de 2010 .
- ^ Grimm, R. (2005). "Física de baja temperatura: una revolución cuántica" . Naturaleza . 435 (7045): 1035–1036. Código Bib : 2005Natur.435.1035G . doi : 10.1038 / 4351035a . PMID 15973388 . S2CID 7262637 .
- ^ Madison, K .; Chevy, F .; Wohlleben, W .; Dalibard, J. (2000). "Formación de vórtice en un condensado de Bose-Einstein agitado". Cartas de revisión física . 84 (5): 806–809. arXiv : cond-mat / 9912015 . Código Bibliográfico : 2000PhRvL..84..806M . doi : 10.1103 / PhysRevLett.84.806 . PMID 11017378 . S2CID 9128694 .
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Otras lecturas
- Khalatnikov, Isaac M. (2018). Introducción a la teoría de la superfluidez . Prensa CRC. ISBN 978-0-42-997144-0.
- Annett, James F. (2005). Superconductividad, superfluidos y condensados . Oxford: Universidad de Oxford. Prensa. ISBN 978-0-19-850756-7.
- Guénault, Antony M. (2003). Superfluidos básicos . Londres: Taylor y Francis. ISBN 0-7484-0891-6.Guenault, Tony (28 de noviembre de 2002). Edición pbk de 2002 . ISBN 9780748408917.
- Svistunov, BV, Babaev ES , Prokof'ev NV Estados superfluidos de la materia
- Volovik, GE (2003). El Universo en una gota de helio . En t. Ser. Monogr. Phys. 117 . págs. 1-507. ISBN 978-0-19-850782-6; edición hbkCS1 maint: posdata ( enlace )Volovik, Grigory E. (6 de marzo de 2003). Edición pbk 2003 . ISBN 9780198507826.
enlaces externos
- Citas relacionadas con la superfluidez en Wikiquote
- Medios relacionados con la superfluidez en Wikimedia Commons
- Video: Demostración de helio superfluido (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)
- Superfluidez observada en un fermi gas 2d observación reciente de 2021 relevante para superconductores de cuprato