Vés al contingut

Superfluid

De la Viquipèdia, l'enciclopèdia lliure
L'Heli superfuid, és capaç d'ascendir per una paret vertical i entrar en un recipient buit.

Un superfluid és una fase o estat de la matèria caracteritzat per l'absència total de viscositat de manera que, en un circuit tancat, fluïria indefinidament sense cap fricció.[1] La superfluïdesa va ser descoberta el 1937 per Piotr Leonídovitx Kapitsa, John F. Allen i Don Misener en el seu estudi anomenat Hidrodinàmica quàntica.[2][3]

És un fenomen físic que té lloc a molt baixes temperatures, prop del zero absolut, límit a partir del qual s'interromp o cessa qualsevol tipus d'activitat.[4] Un inconvenient és que quasi tots els elements es congelen a aquestes temperatures tan baixes, amb l'excepció de l'heli. Existeixen dos isòtops estables de l'heli, l'heli-4 (comú) i l'heli-3 (rar), que és produït en la desintegració del triti en reactors nuclears. Aquest últim isòtop també es pot trobar en la superfície de la Lluna.

Superfluidesa de l'heli líquid

[modifica]

La superfluidesa va ser descoberta a l'heli-4 per Pyotr Kapitsa[5] i de manera independent per John F. Allen i Don Misener el 1937.[6] Onnes possiblement va observar la transició de fase superfluida el 2 d'agost de 1911, el mateix dia que va observar la superconductivitat en el mercuri.[7] Des de llavors s'ha descrit a través de la fenomenologia i les teories microscòpiques.

A l'heli-4 líquid, la superfluidesa es produeix a temperatures molt més altes que a l'heli-3. Cada àtom d'heli-4 és una partícula bosó, en virtut del seu espín enter. Un àtom d'heli-3 és una partícula fermió; només pot formar bosons emparellant-se amb una altra partícula com ella a temperatures molt més baixes. El descobriment de la superfluidesa a l'heli-3 va ser la base per a l'atorgament del Premi Nobel de Física de 1996.[8] Aquest procés és similar al aparellament d'electrons en superconductivitat.

Gasos atòmics ultrafreds

[modifica]

La superfluidesa en un gas fermiònic ultrafred va ser provada experimentalment per Wolfgang Ketterle i el seu equip que van observar vòrtex quàntics en liti-6 a una temperatura de 50 nK al MIT l'abril de 2005.[9][10] Aquests vòrtex s'havien observat anteriorment en un gas bosònic ultrafred utilitzant rubidi-87 l'any 2000,[11] i més recentment en gasos bidiminsionals.[12] Ja l'any 1999, Lene Hau va crear un condensat d'aquest tipus utilitzant àtoms de sodi[13] amb el propòsit de frenar la llum i, posteriorment, aturar-la completament.[14] El seu equip va utilitzar posteriorment aquest sistema de llum comprimida[15] per generar el superfluid anàleg a les ones de xoc i els tornados:[16]

« (anglès) These dramatic excitations result in the formation of solitons that in turn decay into quantized vortices—created far out of equilibrium, in pairs of opposite circulation—revealing directly the process of superfluid breakdown in Bose–Einstein condensates. With a double light-roadblock setup, we can generate controlled collisions between shock waves resulting in completely unexpected, nonlinear excitations. We have observed hybrid structures consisting of vortex rings embedded in dark solitonic shells. The vortex rings act as 'phantom propellers' leading to very rich excitation dynamics. (català) Aquestes excitacions dramàtiques donen lloc a la formació de solitons que al seu torn decauen en vòrtex quàntics}—creats lluny de l'equilibri, en parells de circulació oposada—revelant directament el procés de descomposició de superfluids en els condensats de Bose-Einstein. Amb una configuració de doble barra de llum, podem generar col·lisions controlades entre ones de xoc que donen lloc a excitacions no lineals completament inesperades. Hem observat estructures híbrides que consisteixen en anells de vòrtex incrustats en petxines solitòniques fosques. Els anells de vòrtex actuen com a "hèlixs fantasma" donant lloc a una dinàmica d'excitació molt rica. »
— Lene Hau. SIAM Conference on Nonlinear Waves and Coherent Structures

Superfluids en astrofísica

[modifica]

La idea que la superfluidesa existeix dins de les estrelles de neutrons va ser proposada per primera vegada per Arkady Migdal.[17] Per analogia amb els electrons dins dels superconductors que formen parells de Cooper a causa de la interacció electró-reixat. S'espera que en una estrella de neutrons a una densitat prou alta i a baixa temperatura els nucleons també puguin formar parells de Cooper a causa de la força nuclear atractiva de llarg abast i donar lloc a la superfluidesa i la superconductivitat.[18]

En física d'altes energies i gravetat quàntica

[modifica]

La Teoria del buit dels superfluids (SVT per l'anglès Superfluid vacuum theory) és un enfocament de la física teòrica i la mecànica quàntica on el buit físic es veu com un superfluid.[19] L'objectiu final de l'enfocament és desenvolupar models científics que unifiquen la mecànica quàntica (que descriuen tres de les quatre interaccions fonamentals conegudes) amb la gravetat. Això fa que SVT sigui un candidat per a la teoria de la gravetat quàntica i una extensió del model estàndard.[20] S'espera que el desenvolupament d'aquesta teoria s'unifiqui en un únic model consistent de totes les interaccions fonamentals, i descriure totes les interaccions conegudes i partícules elementals com a manifestacions diferents de la mateixa entitat, el buit superfluid.[21] A escala macro, s'ha suggerit que un fenomen similar més gran passa a les murmuracions dels estúrnids. La rapidesa del canvi en els patrons de vol imita el canvi de fase que condueix a la superfluidesa en alguns estats líquids.[22]

La llum es comporta com un superfluid en diverses aplicacions com ara el punt d'Arago.[23] Com l'heli líquid que es mostra a dalt, la llum viatja per la superfície d'un obstacle abans de continuar al llarg de la seva trajectòria. Com que la llum no es veu afectada per la gravetat local, el seu "nivell" es converteix en la seva pròpia trajectòria i velocitat. Un altre exemple és com un feix de llum viatja a través del forat d'una obertura i per la seva part posterior abans de la difracció.

Referències

[modifica]
  1. ↑ «Superfluidity | Physics of Low-Temperature Fluids» (en anglès). Britannica. Arxivat de l'original el 2024-10-06. [Consulta: 4 agost 2023].
  2. ↑ «Superfluidez» (en castellà). ILCE (Instituto Latinoamericano de la Comunicación Educativa). Arxivat de l'original el 2024-10-06. [Consulta: març 2015].
  3. ↑ «EL PREMIO NOBEL A LA SUPERFLUIDEZ DEL HELIO 3» (en castellà), 01-10-1996. Arxivat de l'original el 2018-08-08. [Consulta: març 2015].
  4. ↑ «Superfluidez en acción en la BBC» (en castellà). Naukas, 01-08-2010. Arxivat de l'original el 2024-02-23. [Consulta: març 2015].
  5. ↑ Kapitza, P. «Viscosity of Liquid Helium below the λ-Point» (en anglès). Nature, 141, 3558, 1-1938, pàg. 74–74. Arxivat de l'original el 2019-04-20. DOI: 10.1038/141074a0. ISSN: 1476-4687 [Consulta: 6 octubre 2024].
  6. ↑ Allen, John F.; Misener, A. Don «Flow Phenomena in Liquid Helium II» (en anglès). Nature, 142, 3597, 10-1938, pàg. 643–644. Arxivat de l'original el 2023-12-16. DOI: 10.1038/142643a0. ISSN: 1476-4687 [Consulta: 6 octubre 2024].
  7. ↑ van Delft, Dirk; Kes, Peter «The discovery of superconductivity» (en anglès). Physics Today, vol. 63, 9, 01-09-2010, pàg. 38–43. Bibcode: 2010PhT....63i..38V. DOI: 10.1063/1.3490499. ISSN: 0031-9228. Arxivat 2023-11-14 a Wayback Machine.
  8. ↑ «The Nobel Prize in Physics 1996 – Advanced Information». www.nobelprize.org. Arxivat de l'original el 2017-11-10. [Consulta: 10 febrer 2017].
  9. ↑ «MIT physicists create new form of matter». mit.edu, 22-06-2005. Arxivat de l'original el 11 de desembre 2013. [Consulta: 22 novembre 2010].
  10. ↑ Grimm, Rudolf «A quantum revolution» (en anglès). Nature, 435, 7045, 6-2005, pàg. 1035–1036. Arxivat de l'original el 2024-05-18. DOI: 10.1038/4351035a. ISSN: 0028-0836 [Consulta: 6 octubre 2024].
  11. ↑ Madison, K.; Chevy, F.; Wohlleben, W.; Dalibard, J. «Vortex Formation in a Stirred Bose–Einstein Condensate». Physical Review Letters, vol. 84, 5, 2000, pàg. 806–809. arXiv: cond-mat/9912015. Bibcode: 2000PhRvL..84..806M. DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.806. PMID: 11017378.
  12. ↑ Burnett, K. «Atomic physics: Cold gases venture into Flatland». Nature Physics, vol. 3, 9, 2007, pàg. 589. Bibcode: 2007NatPh...3..589B. DOI: 10.1038/nphys704. Arxivat 2024-06-03 a Wayback Machine.
  13. ↑ Hau, L. V.; Harris, S. E.; Dutton, Z.; Behroozi, C. H. «Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas». Nature, vol. 397, 6720, 1999, pàg. 594–598. Bibcode: 1999Natur.397..594V. DOI: 10.1038/17561. Arxivat 2021-03-06 a Wayback Machine.
  14. ↑ «Lene Hau». Physicscentral.com. Arxivat de l'original el 2022-08-03. [Consulta: 10 febrer 2013].
  15. ↑ Hau, Lene Vestergaard «Frozen Light». Scientific American, 2003, pàg. 44–51. Arxivat 2024-09-17 a Wayback Machine.
  16. ↑ Hau, Lene. «Shocking Bose–Einstein Condensates with Slow Light». SIAM.org. Society for Industrial and Applied Mathematics, September 9–12, 2006. Arxivat de l'original el 2017-12-01. [Consulta: 6 octubre 2024].
  17. ↑ Migdal, A.B. «Superfluidity and the moments of inertia of nuclei» (en anglès). Nuclear Physics, 13, 5, 11-1959, pàg. 655–674. Arxivat de l'original el 2024-07-11. Bibcode: 1959NucPh..13..655M. DOI: 10.1016/0029-5582(59)90264-0 [Consulta: 6 octubre 2024].
  18. ↑ Lombardo, Umberto; Schulze, Hans-Josef. Superfluidity in Neutron Star Matter (en anglès). 578. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2001, p. 30–53. DOI 10.1007/3-540-44578-1_2.. ISBN 978-3-540-42340-9.  Arxivat 2024-10-06 a Wayback Machine.
  19. ↑ Sinha, K. P.; Sivaram, C.; Sudarshan, E. C. G. «The superfluid vacuum state, time-varying cosmological constant, and nonsingular cosmological models» (en anglès). Foundations of Physics, 6, 6, 01-12-1976, pàg. 717–726. Arxivat de l'original el 2018-08-10. DOI: 10.1007/BF00708950. ISSN: 1572-9516 [Consulta: 6 octubre 2024].
  20. ↑ Zloshchastiev, K. G. «Logarithmic nonlinearity in theories of quantum gravity: Origin of time and observational consequences» (en anglès). Gravitation and Cosmology, 16, 4, 10-2010, pàg. 288–297. Arxivat de l'original el 2024-10-06. DOI: 10.1134/S0202289310040067. ISSN: 0202-2893 [Consulta: 6 octubre 2024].
  21. ↑ Avdeenkov, Alexander V; Zloshchastiev, Konstantin G «Quantum Bose liquids with logarithmic nonlinearity: self-sustainability and emergence of spatial extent». Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics, 44, 19, 14-10-2011, pàg. 195303. DOI: 10.1088/0953-4075/44/19/195303. ISSN: 0953-4075.
  22. ↑ Attanasi, Alessandro; Cavagna, Andrea; Del Castello, Lorenzo; Giardina, Irene; Grigera, Tomas S. «Information transfer and behavioural inertia in starling flocks» (en anglès). Nature Physics, 10, 9, 9-2014, pàg. 691–696. Arxivat de l'original el 2024-04-11. arXiv: 1303.7097. Bibcode: 2014NatPh..10..691A. DOI: 10.1038/nphys3035. ISSN: 1745-2473. PMC: PMC4173114. PMID: 25264452 [Consulta: 6 octubre 2024].
  23. ↑ Arago «Rapport fait par M. Arago à l'Académie des Sciences, au nom de la Commission qui avait été chargée d'examiner les Mémoires envoyés au concours pour le prix de la diffraction.» (en francès). Annales de Chimie et de Physique, vol. 11, 1819, pàg. 5–30. Arxivat 2023-08-31 a Wayback Machine.

Bibliografia complementària

[modifica]

Vegeu també

[modifica]
A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Superfluid
Obtingut de «https://ca.wikipedia.org/w/index.php?title=Superfluid&oldid=34092413»