Superfluidez

Física de la materia condensada
Fases Transición de fase PCC
Estados de la materia Sólido Líquido Gas Plasma Condensado de Bose-Einstein Gasolina Bose Condensado fermiónico Gas de Fermi Líquido de Fermi Supersólido Superfluidez Líquido de Luttinger Cristal del tiempo
Fenómenos de fase Parámetro de orden Transición de fase PCC
Fases electrónicas Estructura de banda electrónica Plasma Aislante Aislador Mott Semiconductor Semimetal Conductor Superconductor Termoeléctrico Piezoeléctrico Ferroeléctrico Aislante topológico Spin gapless semiconductor
Electronic phenomena Quantum Hall effect Spin Hall effect Kondo effect
Magnetic phases Diamagnet Superdiamagnet Paramagnet Superparamagnet Ferromagnet Antiferromagnet Metamagnet Spin glass
Quasiparticles Phonon Exciton Plasmon Polariton Polaron Magnon Roton
Soft matter Amorphous solid Colloid Granular material Liquid crystal Polymer
Scientists Van der Waals Onnes von Laue Bragg Debye Bloch Onsager Mott Peierls Landau Luttinger Anderson Van Vleck Hubbard Shockley Bardeen Cooper Schrieffer Josephson Louis Néel Esaki Giaever Kohn Kadanoff Fisher Wilson von Klitzing Binnig Rohrer Bednorz Müller Laughlin Störmer Yang Tsui Abrikosov Ginzburg Leggett Parisi Wetterich Perdew
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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 enfriarse a temperaturas criogénicas . También es una propiedad de varios otros estados exóticos de la materia cuya existencia se teoriza en la astrofísica , la física de altas energías y las teorías de la gravedad cuántica . ^[1] La teoría de la superfluidez fue desarrollada por los físicos teóricos soviéticos Lev Landau e Isaak Khalatnikov .

La superfluidez a menudo coexiste con la condensación de Bose-Einstein , pero ninguno de los 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. ^{[ cita requerida ]} 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 ^[2] e independientemente por John F. Allen y Don Misener ^[3] 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. ^[4] Desde entonces se ha descrito a través de la fenomenología y las teorías microscópicas.

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 de bosón , en virtud de su espín entero . Un átomo de helio-3 es una partícula de fermión ; puede formar bosones solo al aparearse con otra partícula como él mismo, 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 demostrada 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. ^{[5] [6]} Dichos vórtices habían sido observados previamente en un gas bosónico ultrafrío usando rubidio-87 en 2000, ^[7] y más recientemente en gases bidimensionales . ^[8] Ya en 1999, Lene Hau creó dicho condensado usando átomos de sodio ^[9] con el propósito de ralentizar la luz y luego detenerla por completo. ^[10] Posteriormente, su equipo utilizó este sistema de luz comprimida ^[11] para generar el análogo superfluido de las ondas de choque y los tornados: ^[12]

Estas excitaciones dramáticas resultan en la formación de solitones que a su vez se desintegran en vórtices cuantizados (creados muy fuera del equilibrio, en pares de circulación opuesta), revelando directamente el proceso de descomposición de superfluidos en los condensados ​​de Bose-Einstein. Con una configuración de doble bloqueo de luz, podemos generar colisiones controladas entre ondas de choque que resultan en excitaciones no lineales completamente inesperadas. Hemos observado estructuras híbridas que consisten en anillos de vórtices incrustados en capas solitónicas oscuras. Los anillos de vórtices actúan como "hélices fantasma" que conducen a una dinámica de excitación muy rica.

—  Lene Hau, Conferencia SIAM sobre ondas no lineales y estructuras coherentes

La idea de que existe superfluidez dentro de las estrellas de neutrones fue propuesta por primera vez por Arkady Migdal . ^{[13] [14]} 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. ^[15]

La teoría del vacío superfluido (TSV) es un enfoque de la física teórica y la mecánica cuántica en el que el vacío físico se considera superfluido. ^{[ cita requerida ]}

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 SVT en una candidata a la teoría de la gravedad cuántica y una extensión del Modelo Estándar . ^{[ cita requerida ]}

Se espera que el desarrollo de dicha teoría unifique en un único modelo consistente todas las interacciones fundamentales y describa todas las interacciones y partículas elementales conocidas como diferentes manifestaciones de la misma entidad, el vacío superfluido. ^{[ cita requerida ]}

A escala macro, se ha sugerido que un fenómeno similar de mayor magnitud ocurre en los murmullos de los estorninos . La rapidez del cambio en los patrones de vuelo imita el cambio de fase que conduce a la superfluidez en algunos estados líquidos. ^[16]

La luz se comporta como un superfluido en diversas aplicaciones, como la mancha de Poisson . Como el helio líquido que se muestra arriba, la luz viajará a lo largo de la superficie de un obstáculo antes de continuar su trayectoria. Como la luz no se ve afectada por la gravedad local, su "nivel" se convierte en su propia trayectoria y velocidad. Otro ejemplo es cómo un haz de luz viaja a través del orificio de una abertura y a lo largo de su parte posterior antes de la difracción. ^{[ cita requerida ]}

• Boojum (superfluidez)
• Física de la materia condensada
• Fenómenos cuánticos macroscópicos
• Hidrodinámica cuántica
• Luz lenta
• Supersólido

• Khalatnikov, Isaac M. (2018). Introducción a la teoría de la superfluidez. CRC Press. ISBN 978-0-42-997144-0.
• Annett, James F. (2005). Superconductividad, superfluidos y condensados. Oxford: Oxford Univ. Press. ISBN 978-0-19-850756-7.
• Guénault, Tony (2003). Superfluidos básicos. Londres: Taylor & Francis. ISBN 0-7484-0891-6.
• Svistunov, BV, Babaev ES , Prokof'ev NV Estados superfluidos de la materia
• Volovik, Grigory E. (2003). El Universo en una gota de helio. Int. Ser. Monogr. Física. vol. 117, págs. 1–507. ISBN 978-0-19-850782-6.

• Citas relacionadas con Superfluidez en Wikiquote
• Medios relacionados con Superfluidez en Wikimedia Commons
• Vídeo: Demostración de helio superfluido (Alfred Leitner, 1963, 38 min.)
• Superfluidez observada en un gas de Fermi 2D, observación reciente de 2021 relevante para los superconductores de cuprato