Superfluidez

La superfluidez es la propiedad característica de un fluido con viscosidad cero que, por lo tanto, fluye sin ninguna pérdida de energía cinética . Cuando se agita, un superfluido forma vórtices que continúan girando indefinidamente. La superfluidez se produce en dos isótopos de helio ( helio-3 y helio-4 ) cuando se licúan al enfriarlos a temperaturas criogénicas . También es una propiedad de varios otros estados exóticos de la materia cuya existencia se teoriza en astrofísica , física de altas energías y teorías de la gravedad cuántica . ^{[ 1 ]} La teoría semifenomenológica de la superfluidez fue desarrollada por los físicos teóricos soviéticos Lev Landau e Isaak Khalatnikov .

La superfluidez suele coexistir con la condensación de Bose-Einstein (BEC), pero ninguno de los dos 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. Incluso cuando la superfluidez y la condensación coexisten, sus magnitudes no están vinculadas: a baja temperatura, el helio líquido tiene una gran fracción superfluida pero una baja fracción condensada; mientras que una BEC de interacción débil, con una fracción condensada casi unitaria, puede presentar una fracción superfluida prácticamente nula. ^{[ 2 ]}

Los superfluidos tienen algunos usos prácticos potenciales, como disolver sustancias en un disolvente cuántico .

La superfluidez fue descubierta en el helio-4 por Pyotr Kapitsa ^{[ 3 ]} e independientemente por John F. Allen y Don Misener ^{[ 4 ]} en 1937. Onnes posiblemente observó la transición de fase superfluida el 2 de agosto de 1911, el mismo día que observó la superconductividad en el mercurio. ^{[ 5 ]} Desde entonces, se ha descrito a través de la fenomenología y las teorías microscópicas . Solo Kapitza recibió el Premio Nobel por este descubrimiento. La teoría macroscópica aceptada de la superfluidez en el helio-4 fue desarrollada por Lev Landau en 1941. [LD Landau, J. Phys. USSR 5, 71 (1941), "The Theory Of Superfluidity In Helium II".] Landau recibió el Premio Nobel por este trabajo en 1962.

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 bosónica , en virtud de su espín entero . Un átomo de helio-3 es una partícula fermiónica ; puede formar bosones solo al aparearse con otra partícula como ella misma, lo que ocurre 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 apareamiento de electrones en la superconductividad .

La superfluidez en un gas fermiónico ultrafrío fue probada experimentalmente por Wolfgang Ketterle y su equipo, quienes observaron vórtices cuánticos en litio-6 a una temperatura de 50 nK en el MIT en abril de 2005. ^{[ 6 ] [ 7 ]} Estos vórtices se habían observado previamente en un gas bosónico ultrafrío utilizando rubidio-87 en 2000, ^{[ 8 ]} y más recientemente en gases bidimensionales . ^{[ 9 ]} Ya en 1999, Lene Hau creó un condensado de este tipo utilizando átomos de sodio ^{[ 10 ]} con el propósito de ralentizar la luz y, posteriormente, detenerla por completo. ^{[ 11 ]} Su equipo utilizó posteriormente este sistema de luz comprimida ^{[ 12 ]} para generar el análogo superfluido de ondas de choque y tornados: ^{[ 13 ]}

Estas excitaciones drásticas dan lugar a la formación de solitones que, a su vez, decaen en vórtices cuantizados —creados muy lejos del equilibrio, en pares de circulación opuesta—, revelando directamente el proceso de ruptura de la superfluidez en condensados ​​de Bose-Einstein. Con una configuración de doble barrera de luz, podemos generar colisiones controladas entre ondas de choque que dan lugar a excitaciones no lineales completamente inesperadas. Hemos observado estructuras híbridas que consisten en anillos de vórtice incrustados en capas solitónicas oscuras. Los anillos de vórtice actúan como «hélices fantasma», lo que genera una dinámica de excitación muy rica.

La idea de que existe superfluidez dentro de las estrellas de neutrones fue propuesta por primera vez por Arkady Migdal . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Por analogía con los electrones dentro de los superconductores que forman pares de Cooper debido a la interacción electrón-red, se espera que los nucleones en una estrella de neutrones a una densidad suficientemente alta y una temperatura baja también puedan formar pares de Cooper debido a la fuerza nuclear atractiva de largo alcance y conducir a la superfluidez y la superconductividad. ^{[ 16 ]}

En la teoría de la materia oscura superfluida, la materia oscura puede existir en un estado superfluido en ciertas escalas que luego media una fuerza tipo MOND a través de fonones en el superfluido, esta teoría pretende replicar los éxitos parciales de la materia oscura y la gravedad modificada - en escalas más pequeñas la teoría produce dinámicas tipo MOND y luego permite una replicación de los éxitos de MOND, por ejemplo en la predicción de curvas de rotación de galaxias y una relación Tully-Fisher ajustada, y evita los problemas causados ​​por la teoría ordinaria de materia oscura fría donde los halos densos de materia oscura producen demasiada fricción dinámica. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} En escalas más grandes la teoría produce un comportamiento similar a la materia oscura cálida o caliente que permite masa adicional en la escala del cúmulo de galaxias, donde MOND subestima la fuerza de la gravedad, y permite replicar fenómenos que pueden ser bien descritos por la materia oscura como el fondo cósmico de microondas.

La teoría del vacío superfluido (TVS) es un enfoque en la física teórica y la mecánica cuántica donde el vacío físico se considera superfluido. ^{[ 20 ] [ 21 ]}

El objetivo final de este enfoque es desarrollar modelos científicos que unifiquen la mecánica cuántica (que describe tres de las cuatro interacciones fundamentales conocidas) con la gravedad . Esto convierte a la teoría SVT en una candidata para la teoría de la gravedad cuántica y en una extensión del Modelo Estándar .

Se espera que el desarrollo de dicha teoría permita unificar en un único modelo coherente todas las interacciones fundamentales, y describir todas las interacciones y partículas elementales conocidas como diferentes manifestaciones de la misma entidad: el vacío superfluido.

A escala macroscópica, se ha sugerido que un fenómeno similar de mayor magnitud ocurre en las bandadas de estorninos . La rapidez del cambio en los patrones de vuelo imita el cambio de fase que conduce a la superfluidez en algunos estados líquidos. ^{[ 22 ]}

• Boojum (superfluidez)
• Física de la materia condensada
• dinámica de fluidos
• Fenómenos cuánticos macroscópicos
• hidrodinámica cuántica
• Luz lenta
• Súper sólido
• Modelo de dos fluidos

• Khalatnikov, Isaac M. (2018). Introducción a la teoría de la superfluidez . Boulder: CRC Press . ISBN 978-0-42-997144-0.
• Annett, James F. (2005). Superconductividad, superfluidos y condensados ​​(  Ed. reimpresa). Oxford: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-850756-7.
• Schmitt, Andreas (2015). Introducción a la superfluidez: Enfoque teórico de campos y aplicaciones . Cham: Springer . ISBN 978-3-319-07947-9.
• Guénault, Tony (2003). Superfluidos básicos . Londres: Taylor & Francis . ISBN 978-0-7484-0891-7.
• Svistunov, Boris V .; Babaev, Egor S .; Prokof'ev, Nikolay (2015). Estados superfluidos de la materia . Hoboken: Prensa CRC . ISBN 978-1-4398-0276-2.
• Volovik, Grigory E. (2003). El universo en una gota de helio (  Ed. reimpresa). Oxford: Oxford University Press . ISBN 978-0-19-850782-6.

• Citas relacionadas con la superfluidez en Wikiquote
• Contenido multimedia relacionado con la superfluidez en Wikimedia Commons
• Vídeo: Demostración de helio superfluido (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)
• Superfluidez observada en un gas de Fermi bidimensional: una observación reciente de 2021 relevante para los superconductores de cuprato.