Superfluidez
La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 22 de junio de 2022; las comprobaciones requieren 3 ediciones .La superfluidez es la capacidad de una sustancia en un estado especial ( líquido cuántico ) que se produce a temperaturas cercanas al cero absoluto ( fase termodinámica ) para fluir a través de ranuras estrechas y capilares sin fricción . Hasta hace poco, la superfluidez solo se conocía para el helio líquido , sin embargo, en la década de 2000, la superfluidez también se descubrió en otros sistemas: en condensados atómicos de Bose enrarecidos , helio sólido .
La superfluidez se explica de la siguiente manera. Dado que los átomos de helio -4 son bosones (6 fermiones dan un espín entero ), la mecánica cuántica permite que un número arbitrario de tales partículas esté en un estado. Cerca de las temperaturas del cero absoluto, todos los átomos de helio están en el estado de energía fundamental. Dado que la energía de los estados es discreta, un átomo no puede recibir ninguna energía, sino solo una que sea igual a la brecha de energía entre los niveles de energía adyacentes . Pero a bajas temperaturas, la energía de colisión puede ser inferior a este valor, por lo que simplemente no se producirá la disipación de energía. El fluido fluirá sin fricción.
Historial de descubrimientos
La superfluidez del helio-II líquido por debajo del punto lambda (T = 2,172 K ) fue descubierta experimentalmente en 1938 por P. L. Kapitza ( Premio Nobel de Física de 1978 ) y John Allen . Ya antes de eso, se sabía que al pasar este punto, el helio líquido experimenta una transición de fase , pasando de un estado completamente “normal” (llamado helio-I ) a un nuevo estado del llamado helio-II , sin embargo, solo Kapitsa demostró que el helio-II fluye (dentro de los errores experimentales) sin fricción.
La teoría del fenómeno del helio-II superfluido fue desarrollada por L. D. Landau ( Premio Nobel de Física de 1962 ) .
Datos clave
La viscosidad del helio-II medida por los dos experimentos es muy diferente. La medición de la tasa de helio-II que sale del recipiente a través de un espacio estrecho bajo la acción de la gravedad muestra una viscosidad muy baja (menos de 10-12 Pa ·s ). La medición del tiempo de caída de las oscilaciones torsionales de un disco sumergido en helio-II muestra una viscosidad mayor que la del helio-I ( 10 −6 Pa s ) [1] .
El proceso de conducción de calor en el helio-II es muy diferente del proceso de transferencia de calor en un líquido normal: el calor se conduce a través del helio-II y con una diferencia de temperatura arbitrariamente pequeña. [una]
Modelo de dos fluidos de helio-II
En el modelo de dos fluidos (también conocido como "modelo de dos componentes"), el helio-II es una mezcla de dos líquidos que se interpenetran: un superfluido y un componente normal. El componente superfluido es en realidad helio líquido, que se encuentra en un estado de correlación cuántica, algo similar al estado de un condensado de Bose (sin embargo, a diferencia del condensado de átomos de gas enrarecido, la interacción entre los átomos de helio en un líquido es bastante fuerte, por lo que la teoría de un condensado de Bose no es aplicable directamente al helio líquido). Este componente se mueve sin fricción, tiene temperatura cero y no participa en la transferencia de energía en forma de calor. El componente normal es un gas de dos tipos de cuasipartículas : fonones y rotones , es decir, excitaciones elementales de un fluido correlacionado cuánticamente ; se mueve con fricción y participa en la transferencia de energía.
A temperatura cero, no hay energía libre en el helio que pueda gastarse en la creación de cuasipartículas y, por lo tanto, el helio se encuentra completamente en un estado superfluido. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la densidad del gas de cuasipartículas (en primer lugar, fonones) y disminuye la fracción del componente superfluido. Cerca de la temperatura del punto lambda, la concentración de cuasipartículas se hace tan alta que ya no forman un gas, sino un líquido de cuasipartículas, y finalmente, cuando se supera la temperatura del punto lambda, se pierde la coherencia cuántica macroscópica, y el componente superfluido desaparece por completo. La proporción relativa del componente normal se muestra en la Fig. 1 .
Cuando el helio fluye a través de ranuras a baja velocidad, el componente superfluido, por definición, fluye alrededor de todos los obstáculos sin pérdida de energía cinética, es decir, sin fricción. Podría surgir fricción si alguna protuberancia de la ranura generara cuasipartículas que arrastraran el impulso del líquido en diferentes direcciones. Sin embargo, tal fenómeno a bajas velocidades de flujo es energéticamente desfavorable, y solo cuando se excede la velocidad crítica de flujo, comienzan a generarse los rotones .
Este modelo, en primer lugar, explica bien varios fenómenos termomecánicos, mecánicos de la luz y otros observados en el helio-II y, en segundo lugar, se basa firmemente en la mecánica cuántica .
La viscosidad del helio-II, medida por la velocidad con la que sale del recipiente a través de una ranura estrecha bajo la acción de la gravedad, resulta ser muy baja debido al hecho de que el componente superfluido fluye muy rápidamente a través de la ranura sin fricción. La viscosidad del helio-II, medida por la tasa de amortiguamiento de las oscilaciones del disco de torsión, resulta ser distinta de cero debido al hecho de que el componente normal frena su rotación muy rápidamente [1] .
La transferencia de calor en el helio-II se lleva a cabo mediante la propagación de ondas de sonido, transportando energía en una dirección más que en la dirección opuesta. El componente normal se mueve junto con ellos y el componente superfluido que no transfiere calor se mueve en la dirección opuesta [1] .
Superfluidez en otros sistemas
- Se ha construido un modelo superfluido del núcleo atómico, que describe bastante bien los datos experimentales [2] .
- En 1995, en experimentos con gases de metales alcalinos enrarecidos, se alcanzaron temperaturas lo suficientemente bajas como para que el gas pasara al estado de un condensado de Bose-Einstein . Como se esperaba de los cálculos teóricos, el condensado resultante se comportó como un líquido superfluido. En experimentos posteriores, se encontró que cuando los cuerpos se mueven a través de este condensado a velocidades menores que la crítica, no ocurre transferencia de energía del cuerpo al condensado.
- En 2000, Jan Peter Thoennis demuestra la superfluidez del hidrógeno a 0,15 K [3]
- En 2004 también se anunció el descubrimiento de la superfluidez en el helio sólido . Sin embargo, estudios posteriores demostraron que la situación está lejos de ser tan simple y, por lo tanto, aún es prematuro hablar sobre el descubrimiento experimental de este fenómeno.
- Desde 2004 , en base a los resultados de una serie de trabajos teóricos [4] , se ha asumido que a presiones del orden de 4 millones de atmósferas y superiores, el hidrógeno se vuelve incapaz de pasar a la fase sólida al enfriarse (como el helio a presión normal), formando así un líquido superfluido. Todavía no hay confirmaciones o refutaciones experimentales directas.
- También hay trabajos que predicen la superfluidez en un estado de agregación frío de neutrones o quarks . Esto puede ser importante para comprender la física de las estrellas de neutrones y quarks .
- En 2005, se descubrió la superfluidez en un gas enrarecido frío de fermiones [5] .
- En 2009, se demostró una superfluidez de tipo " supersólido " en un gas de rubidio enrarecido frío [6] .
Líneas modernas de investigación
- Turbulencia en un líquido superfluido
- Superfluidez en sistemas con grados de libertad internos
- Relación entre las fases superconductora y superfluida
- Superfluidez de giro
- Búsqueda de nuevas sustancias con fases superfluidas
Notas
- ↑ 1 2 3 4 Andreev A.F. Superfluidity of liquid helium // Escolares sobre física moderna. Física del estado sólido. - M., Ilustración , 1975. - p. 6-20
- ↑ Superconductividad y superfluidez, 1978 , p. 127.
- ↑ Evidencia de superfluidez en grupos de parahidrógeno dentro de gotas de helio-4 a 0,15 Kelvin . Archivado el 26 de julio de 2008 en Wayback Machine .
- ↑ Egor Babaev; Asle Sudbo, noroeste de Ashcroft. Un superconductor a una transición de fase superfluida en hidrógeno metálico líquido (Ing.) (18 de octubre de 2004). Consultado el 20 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 28 de julio de 2017.
- ↑ Superfluidez en un gas de fermión enrarecido frío . Consultado el 24 de junio de 2005. Archivado desde el original el 8 de abril de 2014.
- ↑ Superfluidez de tipo "supersólido" en un gas de rubidio enrarecido frío . Fecha de acceso: 19 de marzo de 2009. Archivado desde el original el 11 de febrero de 2011.
Véase también
Enlaces
- Landau L.D., Lifshits E.M. Hidrodinámica. — M.: Nauka, 1986, 736 p.
- Zaiko Yu. N. Propagación de ondas en un fluido que fluye en un fluido con paredes elásticas // Cartas a ZhTF, 2001, vol.27, no. 16, pág. 27-31.
- Zaiko Yu. N. Modelo de flujo de fluido en un recipiente con paredes elásticas // Cartas a ZhTF, 2002, vol.28, no. 24, pág. 15-19.
- PW Carpintero, C. Davis, AD Lucey. Hidrodinámica y paredes dóciles: ¿El delfín tiene un secreto? //Ciencia actual, 25 de septiembre de 2000, vol. 70, núm. 6, págs. 758-765.
- Shapiro L.S. Creación y desarrollo de un submarino. A las patentes de la naturaleza
- Sobre el papel de las oscilaciones de punto cero en la formación de estados superconductores y superfluidos
- Helio superfluido
Artículos de revisión
- Ginzburg V. L. — Superfluidez y superconductividad en el Universo
- Dmitriev V. V. Spin superfluidez en ³He, UFN, v.175 (2005), N.1, 85-92
Literatura
- Kresin VZ Superconductividad y superfluidez. — M .: Nauka, 1978. — 187 p.
- Bondarev BV El método de la matriz de densidad en la teoría cuántica de la superfluidez. - M. : Sputnik, 2014. - 91 p.
- Tilly D.R., Tilly J. Superfluidez y superconductividad. — M .: Mir, 1977. — 304 p.
- Patterman S. Hidrodinámica de un líquido superfluido. — M .: Mir, 1978. — 520 p.
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