Superfluidez: qué es, definición, propiedades y aplicaciones

Superfluidez: descubre qué es, sus propiedades únicas y aplicaciones revolucionarias (helio superfluido, giroscopios, ralentizar luz) explicado claro y actualizado.

La superfluidez es un estado de la materia en el que un líquido puede actuar de forma muy extraña y que solo se manifiesta cuando el sistema alcanza temperaturas extremadamente bajas. Microscópicamente, la superfluidez surge cuando un gran número de partículas ocupan el mismo estado cuántico macroscópico (por ejemplo, una condensación de Bose-Einstein en gases de átomos bosónicos o pareamientos de fermiones que actúan colectivamente como bosones). Este comportamiento hace que el fluido muestre propiedades que no tienen explicación en la física clásica de fluidos.

Comportamiento sorprendente (ejemplos)

Algunas de las cosas que puede hacer un superfluido son:

• Puede fluir con extrema facilidad. (La facilidad con la que fluye un líquido se denomina viscosidad). De hecho, fluye con tanta facilidad que la fricción no cambia su forma de fluir; tiene una viscosidad nula. Por ello, puede fluir fuera de un recipiente, como un cuenco, incluso cuando el cuenco no está inclinado para que el líquido se derrame.
• Se queda quieto cuando se hace girar su recipiente, en lugar de iniciar un remolino como cuando se vacía un fregadero lleno de agua. Sin embargo, se forma un remolino si el recipiente se hace girar a una velocidad determinada.

Propiedades físicas clave

• Viscosidad nula: un superfluido puede transportar flujo sin disipación, por lo que puede moverse con muy poca o ninguna fricción interna.
• Película capilar o “film flow”: el superfluido puede ascender por las paredes del recipiente en forma de película muy delgada y escapar por grietas, lo que explica por qué parece “salirse” de un contenedor cerrado.
• Remolinos cuantizados: cuando un superfluido rota, la circulación no es continua sino que aparece en unidades discretas llamadas vórtices cuantizados; por eso no forma un remolino continuo hasta superar una velocidad crítica y estabilizarse en una red de vórtices.
• Modelo de dos fluidos: a temperaturas intermedias se puede describir como la coexistencia de una fracción superfluida (sin viscosidad) y otra normal (viscosa). Esto explica fenómenos como la segunda forma de sonido, donde se propaga una onda de temperatura en lugar de presión.
• Efecto termomecánico / efecto fuente (fountain effect): al calentar localmente un superfluido se puede generar una presión que hace que el líquido salga por un orificio como una fuente.

Causas y teoría

La superfluidez es un fenómeno cuántico macroscópico. En gases atómicos ultrafríos se obtiene al enfriar átomos bosónicos hasta formar una condensación de Bose-Einstein. En materiales como el helio existen dos vías: el helio-4 (átomos bosónicos) se hace superfluido bajo su punto lambda, mientras que el helio-3 (fermiónico) necesita apareamiento entre átomos para formar pares que actúan como bosones (similar a la formación de pares de Cooper en superconductores) y exige temperaturas mucho más bajas. La teoría cuántica describe estos estados mediante una función de onda coherente a gran escala y principios como la cuantización de la circulación.

Tipos y ejemplos

• Helio-4: se vuelve superfluido por debajo del punto lambda, alrededor de 2,17 K (≈ -270,98 °C).
• Helio-3: muestra superfluidez a temperaturas mucho más bajas (miliKelvin) y presenta fases con propiedades magnéticas y de orden distintas (fases A y B).
• Condensados de Bose-Einstein: nubes de átomos ultrafríos (sodio, rubidio, etc.) que permiten estudiar la superfluidez en sistemas diluidos y realizar experimentos precisos como el frenado de luz.

Aplicaciones y experimentos notables

Hasta ahora, los científicos sólo han podido crear superfluidos a temperaturas extremadamente frías. Sin embargo, los superfluidos tienen bastantes usos en la ciencia actual, como:

• El helio superfluido a -271,4 grados Celsius [-456,2 grados Fahrenheit] se utilizó en un satélite especial en 1983 para obtener información sobre las ondas infrarrojas en el espacio.
• Los superfluidos pueden utilizarse en giroscopios, para ayudar a las máquinas a predecir información sobre los movimientos de la gravedad que no se puede captar sólo con los instrumentos habituales.
• Se utilizó un tipo de superfluido para atrapar y ralentizar un haz de luz desde su velocidad normal de 670.600.000 mph (1.079.000.000 km/h) a sólo 38,03 mph (62,2 km/h). Esto significa que el haz de luz se movía a 0,00000567104 % de su velocidad en el vacío, es decir, 17 millones de veces más lento.

Además de los usos citados en la lista anterior, los superfluidos son herramientas de investigación importantes en:

• Metrología cuántica: sensores de alta precisión para rotación y aceleración basados en vórtices y en la coherencia cuántica.
• Refrigeración criogénica: el helio superfluido y las técnicas de refrigeración asociadas se usan en experimentos que requieren temperaturas ultrabajas y en detectores astronómicos.
• Simulación cuántica y computación: los sistemas superfluídos y condensados de Bose-Einstein sirven como plataformas para estudiar fenómenos cuánticos colectivos y modelos teóricos relevantes para futuros dispositivos cuánticos.
• Astrofísica: las propiedades de materia superfluida son relevantes para entender el interior de estrellas de neutrones, donde la materia densa puede comportarse de forma superfluida.

Cómo se obtienen en el laboratorio

Crear superfluidos requiere enfriamiento extremo. En gases atómicos se usan técnicas como enfriamiento por láser y enfriamiento evaporativo dentro de trampas magnéticas u ópticas para alcanzar temperaturas del orden de nanokelvin a microkelvin y formar un condensado de Bose-Einstein. Para el helio se emplean refrigeradores criogénicos y técnicas de dilución para alcanzar kelvins y miliKelvins según el isótopo.

Historia breve

La superfluidez fue observada por primera vez en helio-4 en la década de 1930 por investigadores como Pyotr Kapitza, John F. Allen y Don Misener. Más tarde, con el desarrollo de técnicas de enfriamiento atómico, se lograron condensados de Bose-Einstein y experimentos como la ralentización de luz en la década de 1990 que demostraron nuevos usos y aspectos de la superfluidez.

Limitaciones y perspectivas

La principal limitación práctica es la necesidad de temperaturas extremadamente bajas, lo que implica coste y complejidad experimental. Sin embargo, los avances en control cuántico, detección y criogenia amplían las aplicaciones posibles. La investigación continúa en áreas como sensores cuánticos, estudio de transiciones de fase exóticas y la relación entre superfluidez y superconductividad.

También existe otro estado de la materia llamado supersólido, aunque su formación es más compleja. Un supersólido combinaría la rigidez de un sólido con la capacidad de transportar masa sin fricción como un superfluido; su confirmación experimental ha sido objeto de debate y estudio activo en la comunidad científica.

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