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El superfluido: Un estado de la materia, que permite la fluidez casi infinita del Helio

El superfluido es una característica de los fluidos que poseen una viscosidad nula o cero. La superfluidez es un estado mas de la materia. Para entender esto, imaginemos a una especie de fluido de la materia, que al fluir y deslizarse no presenta perdida alguna de energía cinética. Algo que genera algunos fenómenos y hace pensar su uso en aplicaciones muy interesantes.

Este superfluido puede ser encontrado en isotopos del helio-3 y helio-4. El fenómeno de superfluidez ocurre cuando estas se enfrían a temperaturas tan frías como llegar al grado 0. Las primeras investigaciones se dieron gracias al físico Anthony Legget, quien fue premiado con el premio Wolf de Física por sus hallazgos y contribuciones a la teoría de los superconductores superfluidos.

¿Que es el superfluido?

Podemos definir al superfluido de una manera general, como la capacidad de un liquido que influye a través de diversos cuerpos o canales sin hacer notar una fricción aparente. Pero, esto es solo el primero de sus características.

Si sostenemos un recipiente, y colocamos el liquido superfluido dentro de el, veremos que al girarlo lentamente, el liquido no parece moverse o descansar sin presentar el mas mínimo movimiento. Es si es un efecto particular.

La superfluidez del fluido es una característica notable en isotopos de helio o otros gases ultraligeros. Según algunas observaciones, este fenómeno ocurre en estrellas tan alejadas y hay una gran evidencia que nos dicen de su existencia en otros sistemas extraterrestres.

¿Como se descubrió el superfluido?     

El profesor de física de Illinois y Premio Nobel Anthony Leggett habla sobre el descubrimiento de la superfluidez en 1938 y su importancia para la física de baja temperatura.

En el año 1908, ya se sabia de la existencia y evidencia de la superfluidez del Helio-4. Pero no fue hasta llegar a los años 1936 que los investigadores y científicos empezaron a reconocer que al exponer a esta sustancia en temperaturas mínimas, de entre 2 grados, presentaba unas propiedades desconocidas en esos tiempos.

Ya finalizando el año 1940 se realizaron estudios en la Universidad de Cambridge, donde se median directamente el comportamiento del Helio en diversos elementos y expuestos a diferentes temperaturas.

Así fue que variando su temperatura, encontraron un punto en que el helio adquiría una característica particular de viscosidad casi nula. De esta manera fue que el científico Piotr Leonídovich Kapitsa  nombro como superfluido o superfluidez a este comportamiento.

 

¿Como se relacionada el superfluido con la superconductividad?

La relacional entre el superfluido y la superconductividad, es que este ultimo se presenta en el superfluido. De la misma forma que un liquido, el superfluido fluye sin detenerse por cualquier superficie sin agotar su energía. La supercconducción que se presenta en la energía cinética del helio lo hace un superconductor casi infinito.

Los usos que le podemos dar al helio-4  son pocos en la actualidad. Quizás su elevada superfluidez y conducción, hace qe todavía no encontremos campos donde podamos aplicarlo. Pero es excelente refrigerante para imanes con una gran campo, debido a su temperatura.

Entendiendo el superfluido

Para darnos de como funciona y afecta el superfluido en diferentes cuerpos, imaginemos a un balón de gas. Cada vez que abrimos la llave, quitamos enegia. Como consecuencia este se va enfriando. Eliminamos tanta energía que los átomos que contiene dentro se posan cada vez mas en la parte inferior del balón. En un momento llega a su punto mas bajo, donde ya no le podemos quita la gravedad y fricción. Es así como se demuestra en el helio-4 sobre un recipiente, este fluirá sobre el recipiente sin perder energía.

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También muestra otras propiedades notables, como no tener viscosidad a la vista o para medirla. La viscosidad es la respuesta de un fluido al esfuerzo cortante que también podemos entenderla como la resistencia interna de un fluido al flujo. Ingenuamente dicho, así de «pegajoso» es un fluido. Un ejemplo, es  el petróleo que es mas «pegajoso» que el aire y, por lo tanto, más «viscoso». Esta naturaleza viscosa es importante porque ayuda a las moléculas de fluido a «untarse» a otras cosas y entre sí. Si, por ejemplo, el aire no fuera viscoso, encender el ventilador no tendría ningún efecto ya que las moléculas de aire no se adherirían al ventilador, por lo que el ventilador no puede impartir energía cinética al aire y, por lo tanto, no puede desplazarse y enfriarlo.

Cosas interesantes sobre el superfluido

1. El superfludio es un estado de la materia. Toda la materia posee fermiones; protones, electrones, neutrones. Todos estos obedecen a a las leyes de Fermi-dirac. Es decir que uno de los fermiones no puede ocupa el mismo estado que otro en el mismo estado de tiempo. Es la ley Universal, una pesona no puede hacerse liquido totalmente para evitar un accidente, porrque algunos atomos son solidos en ese instante y no pueden cambia al mismo estado que otros como el liquido.

Pero vamos a los superfluidos. Similar a estos, los bosones no tienen esa restricción y la reglas les permiten que algunos bosones idénticos ocupen el mismo estado de la materia en el mismo tiempo.

Una característica importante del superfluido contenido en el helio, es que les permite comportarse de manera diferente en sus giros. Los fermiones tienen giros de fracción, los bosones tienen giros de números enteros.

El helio es obviamente una materia normal. Algo que significa que comienza con protones y electrones normales con espines +/ o – 1/2 . Pero, cuando los acercas a temperaturas frías, estos fermiones forman pares, creando giros de números enteros (+ 1/2, + 1 / 2 = 1) (+ 1/2, -1 / 2 = 0).

Esto significa que estos pares comienzan a comportarse como bosones, lo que permite que estos pares inunden un solo estado de energía, causando la condensación de Bose-Einstein, que es su propio estado de comportamiento.

Algo importante que debemos saber es que:

El helio superfluido tiene cero desorden molecular o entropía. Ya que sus movimientos están causados por números pares de los fermiones.

El helio superfluido nunca puede solidificarse a presiones atmosféricas normales.

 

 

Consultar: Actualizado el 12 de Noviembre del 2019

https://www.quora.com/What-is-a-super-fluid-What-are-some-examples-and-are-they-possible-to-create

https://news.illinois.edu/view/6367/730694