¿Qué es un superfluido?

Un superfluido es una fase de la materia capaz de fluir sin cesar sin pérdida de energía. Esta propiedad de ciertos isótopos fue descubierta por Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen y Don Misener en 1937. Se ha logrado a temperaturas muy bajas con al menos dos isótopos de helio, un isótopo de rubidio y un isótopo de litio.

Solo los líquidos y gases pueden ser superfluidos. Por ejemplo, el punto de congelación del helio es 1 K (Kelvin) y 25 atmósferas de presión, el más bajo de cualquier elemento, pero la sustancia comienza a exhibir propiedades superfluidas a aproximadamente 2 K. La transición de fase ocurre cuando todos los átomos constituyentes de una muestra comienzan a ocupar el mismo estado cuántico. Esto sucede cuando los átomos se colocan muy juntos y se enfrían tanto que sus funciones de onda cuántica comienzan a superponerse y los átomos pierden sus identidades individuales, comportándose más como un súper átomo que como una aglomeración de átomos.

Un factor limitante sobre el cual los materiales pueden exhibir superfluidez y los que no pueden es que el material debe estar muy muy frío (menos de 4 K) y permanecer fluido a esta temperatura fría. Los materiales que se vuelven sólidos a bajas temperaturas no pueden asumir esta fase. Cuando se enfría a temperaturas muy bajas, un conjunto de bosones listo para superfluido, átomos con un número par de nucleones, se forma en un condensado de Bose-Einstein, una fase de materia superfluida. Cuando los fermiones, los átomos con un número impar de nucleones, como el isótopo helio-3, se enfrían a unos pocos Kelvin, esto no es suficiente para causar esta transición.

Debido a que solo los bosones pueden convertirse fácilmente en un condensado de Bose-Einstein, los fermiones primero deben emparejarse entre sí para convertirse en un superfluido. Este proceso es similar al emparejamiento de electrones de Cooper que ocurre en los superconductores. Cuando dos átomos con un número impar de nucleones se unen entre sí, poseen colectivamente un número par de nucleones y comienzan a comportarse como bosones, condensándose juntos en un estado superfluido. Esto se llama condensado de fermión, y emerge solo al nivel de temperatura mK (miliKelvin) en lugar de a unos pocos Kelvin. La diferencia clave entre el emparejamiento de átomos en un superfluido y el emparejamiento de electrones en un superconductor es que el emparejamiento atómico está mediado por fluctuaciones cuánticas de espín en lugar de por intercambio de fonones (energía vibratoria).

Los superfluidos tienen algunas propiedades impresionantes y únicas que los distinguen de otras formas de materia. Debido a que no tienen viscosidad interna, un vórtice formado dentro de uno persiste para siempre. Un superfluido tiene cero entropía termodinámica y una conductividad térmica infinita, lo que significa que no puede existir diferencia de temperatura entre dos superfluidos o dos partes del mismo. También pueden subir y salir de un contenedor en una capa de un átomo de espesor si el contenedor no está sellado. Una molécula convencional incrustada dentro de un superfluido puede moverse con total libertad de rotación, comportándose como un gas. Otras propiedades interesantes se pueden descubrir en el futuro.

La mayoría de los llamados superfluidos no son puros, sino que en realidad son una mezcla de un componente fluido y un componente superfluido. Las aplicaciones potenciales de los superfluidos no son tan emocionantes y de gran alcance como las de los superconductores, pero los refrigeradores de dilución y la espectroscopía son dos áreas en las que han encontrado uso. Quizás la aplicación más interesante hoy en día es puramente educativa, y muestra cómo los efectos cuánticos pueden convertirse en una escala macroscópica bajo ciertas condiciones extremas.