Cos’è un superfluido?

Un superfluido è una fase della materia in grado di fluire all’infinito senza perdita di energia. Questa proprietà di alcuni isotopi è stata scoperta da Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen e Don Misener nel 1937. È stata ottenuta a temperature molto basse con almeno due isotopi di elio, un isotopo di rubidio e un isotopo di litio.
Solo liquidi e gas possono essere superfluidi. Ad esempio, il punto di congelamento dell’elio è 1 K (Kelvin) e 25 atmosfere di pressione, il più basso di qualsiasi elemento, ma la sostanza inizia a mostrare proprietà superfluide a circa 2 K. La transizione di fase si verifica quando tutti gli atomi costituenti di un campione iniziano a occupano lo stesso stato quantistico. Questo accade quando gli atomi vengono posti molto vicini tra loro e raffreddati così tanto che le loro funzioni d’onda quantistiche iniziano a sovrapporsi e gli atomi perdono le loro identità individuali, comportandosi più come un singolo super-atomo che come un agglomerato di atomi.

Un fattore limitante su cui i materiali possono esibire superfluidità e che non può è che il materiale deve essere molto molto freddo (meno di 4 K) e rimanere fluido a questa temperatura fredda. I materiali che diventano solidi a basse temperature non possono assumere questa fase. Quando viene raffreddato a temperature molto basse, un insieme di bosoni pronti per il superfluido, atomi con un numero pari di nucleoni, si forma in un condensato di Bose-Einstein, una fase superfluida della materia. Quando i fermioni, atomi con un numero dispari di nucleoni come l’isotopo dell’elio-3, vengono raffreddati a pochi Kelvin, questo non è sufficiente a causare questa transizione.

Poiché solo i bosoni possono facilmente diventare un condensato di Bose-Einstein, i fermioni devono prima accoppiarsi tra loro per diventare un superfluido. Questo processo è simile all’accoppiamento di elettroni di Cooper che si verifica nei superconduttori. Quando due atomi con numero dispari di nucleoni si accoppiano tra loro, possiedono collettivamente un numero pari di nucleoni e iniziano a comportarsi come bosoni, condensandosi insieme in uno stato superfluido. Questo è chiamato condensato fermionico ed emerge solo al livello di temperatura mK (milliKelvin) piuttosto che a pochi Kelvin. La differenza chiave tra l’accoppiamento di atomi in un superfluido e l’accoppiamento di elettroni in un superconduttore è che l’accoppiamento atomico è mediato da fluttuazioni di spin quantistico piuttosto che dallo scambio di fononi (energia vibratoria).

I superfluidi hanno alcune proprietà impressionanti e uniche che li distinguono da altre forme di materia. Poiché non hanno viscosità interna, un vortice formato all’interno di uno persiste per sempre. Un superfluido ha entropia termodinamica nulla e conducibilità termica infinita, il che significa che non può esistere alcun differenziale di temperatura tra due superfluidi o due parti dello stesso. Possono anche arrampicarsi su e fuori da un contenitore in uno strato spesso un atomo se il contenitore non è sigillato. Una molecola convenzionale incorporata in un superfluido può muoversi con piena libertà di rotazione, comportandosi come un gas. Altre proprietà interessanti potrebbero essere scoperte in futuro.

La maggior parte dei cosiddetti superfluidi non sono puri, ma sono in realtà una miscela di un componente fluido e un componente superfluido. Le potenziali applicazioni dei superfluidi non sono entusiasmanti e ad ampio raggio come quelle dei superconduttori, ma i frigoriferi a diluizione e la spettroscopia sono due aree in cui hanno trovato impiego. Forse l’applicazione più interessante oggi è puramente educativa, e mostra come gli effetti quantistici possono diventare macroscopici in determinate condizioni estreme.