Estat especial de la matèria: heli superfluid

1988/04/01 Legarreta, J. A. Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Fisika

Diagrama dels tres estats normals d'agregació de la matèria. En ell s'indiquen els processos que s'han de realitzar per a passar de l'un a l'altre. En la matèria comuna la temperatura disminueix o augmenta d'un estat a un altre. La presa de temperatura dóna lloc als processos denominats cristal·lització, solidificació i condensació. Per escalfament, sublimació, fusió i evaporació.

A través de la millora de les tècniques, els investigadors van tenir l'oportunitat de treballar a altes temperatures i van trobar un estat iònic que va donar lloc al segon estat gasós anomenat plasma. A continuació, els astrònoms, juntament amb el descobriment de les estrelles de neutró, van donar lloc a un segon estat sòlid denominat matèria hiperdensa. La capacitat de treballar a temperatures molt baixes va donar lloc al segon estat líquid, denominat estat superfluid. Ell desafia les lleis més consistents de l'estat líquid, la interpretació del qual, fins i tot a nivell atòmic, és molt difícil i discutida.

En aquest petit treball parlarem de l'estat superfluid de l'heli, el superfluid més estrany que han trobat els físics.

Característiques de l'heli

Va ser descobert pels astrònoms en el sol i posteriorment va ser identificat entre els gasos més escassos de l'atmosfera. L'heli que es pot trobar en l'atmosfera és principalment 4 _{2 He, estant l'isòtop 3 2} He ^en un percentatge de 10-7%.

En 1.868 es va descobrir l'heli en l'atmosfera del sol gràcies a l'espectoógrafo. Es va poder aconseguir escalfant determinats minerals en la terra. Fins a l'explotació dels jaciments de gas natural, la producció d'heli era molt reduïda, però suficient per a les necessitats de laboratori.

A nivell atòmic, encara que la de l'heli després de l'hidrogen és molt simple (dos protons, dos neutrons, dos electrons), com hem dit abans, és el superfluid que adopta la conducta més estranya.

Heli superfluid

Cap a 1900 els investigadors van començar a liquar tots els gasos coneguts.

Com és sabut, qualsevol gas pot ser liquat i solidificat en condicions adequades per refredament fins a una temperatura determinada. I més encara, com més gran és la pressió sobre el gas, major és la temperatura de liqüefacció. Per exemple, el propà i el butà poden estar liquats per simple compressió en una ampolla a temperatura ambient. Per tant, en la liqüefacció d'un gas podem aprofitar tant la pressió com la temperatura per a aconseguir el nostre objectiu.

Malgrat treballar a molt baixa pressió en la pràctica, la liqüefacció de la majoria dels gasos requereix temperatures molt baixes, amb un límit de zero absolut (-273,16 °C = OK). En efecte, l'oxigen a pressió atmosfèrica requereix una temperatura de -218 °C, el nitrogen -210 °C, el clor -101 °C i el neó -248 °C. Malgrat la dificultat que va suposar la liqüefacció d'altres gasos, amb el temps i sobretot a causa dels avanços de la tècnica, es va anar obtenint la liqüefacció de tots els gasos. Un dels gasos que presentava aquesta dificultat era l'hidrogen, la temperatura de liqüefacció del qual (-260 °C) és molt baixa. Per tant, la temperatura de liqüefacció de l'hidrogen, molt pròxima al zero absolut, va dificultar enormement als investigadors, obtenint James Dewar en 1892.

Com tots sabem, quan les molècules estan estancades (és a dir, quan no hi ha moviment molecular), l'energia cinètica i per tant la temperatura prenen el valor zero. En el zero absolut no hi ha moviment molecular. Per tant, cap molècula pot aconseguir un estat zero absolut.

Així doncs, com hem dit al principi d'aquest petit treball, ens situarem en l'heli. En 1900 tots els gasos, excepte l'heli, van ser liquats. Encara que es van treballar totes les vies de liqüefacció de l'heli, d'una banda, no es podia liquar i molt menys solidificar, i per un altre, els investigadors que ho van fer van pensar que només podia estar en estat gasós, independentment del seu valor de pressió i temperatura.

De fet, la primera afirmació és correcta, ja que només per refrigeració l'heli no pot solidificar-se. I quant a la segona afirmació, cal dir que no és un gas sostenible, però sí el més difícil de liquidar. La liqüefacció de l'heli la va obtenir el físic holandès Kammerling Onnes en 1908. Per tant, tots els gasos podien ser liquats en pagar el que suposava treballar a baixa temperatura. Aquest descobriment va animar als investigadors a aprendre les característiques de l'heli líquid. Des que van començar a investigar aquestes característiques van veure que eren molt sorprenents, sense poder explicar el seu comportament.

Entrada de recipient porós al bany amb heli superfluid:
1) El superfluid entra per la paret del recipient porós fins que el superfluid interior i l'exterior es troben a la mateixa altura.
2) Si generéssim un corrent elèctric instantani a través d'una resistència elèctrica, l'escalfament afectaria el superfluid intern, penetrant a l'interior del recipient per a anul·lar el canvi del superfluid extern.
3) A causa del flux de superfluids des de l'exterior de l'envàs cap a l'interior d'aquest, es genera una ratllada de superfluids.

Per a començar, la temperatura de liqüefacció de _{4 2} He és la més petita coneguda a pressió normal (1 atm): -268,82 °C (4,18K), és a dir, quatre graus centígrads per sobre del zero absolut. 3 Respecte al He 2, la temperatura de liqüefacció és menor: -270 °C (3,2K). Encara que la temperatura disminueixi per complet, fins a 0,001K, per exemple, sota pressió ambiental no es poden solidificar els dos isòtops de l'heli.

Els líquids obtinguts a les temperatures indicades tenen les característiques de tots els líquids, però si la temperatura disminueix, tots dos arriben a l'estat de superflus. ³ L'He aconsegueix l'estat de superfluid a la temperatura 0,001K. Quant al 4H, aconsegueix el seu estat de superfluid a una temperatura de 2,17 K. Avui dia, els finlandesos tenen les eines adequades per a aconseguir temperatures tan baixes i mantenir-les durant molt de temps. En les següents línies ens centrarem especialment en les característiques de l'isòtop de l'heli de 4 pesos atòmics, que és el que presenta les característiques més peculiars.

Aquest isòtop de l'heli produeix un líquid a una temperatura de 4,18K, anomenat He 1. Com ja s'ha comentat anteriorment, una disminució de la temperatura entorn de la temperatura de 2,17K fa que l'He sofreixi una curiosa transformació a la qual se li produeix un canvi en les seves característiques físiques. Aquesta transformació sembla una solidificació, però continua sent líquida. Si s'aconsegueix la temperatura de 2,17 K, el 4He presa un estat de superfluid i aquesta nova forma es denomina He II.

Quines són les peculiaritats d'Heli II?

Per sobre de la paret

La viscositat és la propietat de tots els fluids, tant dels gasos com dels líquids. La viscositat representa la fricció interna del fluid, que transmet els efectes d'un moviment a través del fluid en unir-se la direcció d'aquest. La unitat és el poema (P).

La viscositat de l'aigua a 25 °C és de 0,01 P. Els líquids pastosos tenen una viscositat molt elevada i els cristalls són infinits. Per contra, els gasos presenten una viscositat molt baixa. L'heli superfluid no té viscositat, és a dir, és completament fluid (fluid perfecte).

Per exemple, una gota d'oli es llisca per un cristall més lentament que una gota d'aigua. Per tant, l'oli té una viscositat major que l'aigua. Però l'heli superfluid que es coneix baixa molt més ràpid que qualsevol líquid normal. Una gota d'heli superfluid es lliscaria pel cristall tan ràpid com una bola de plom caiguda en l'aire des de certa altura.

Per contra, a diferència dels líquids normals, qualsevol objecte que es mou dins de l'heli superfluid no troba cap fricció.

Segons una llei de mecànica de fluids, com més gran és el diàmetre en moviment d'un fluid, més ràpid flueix. Per contra, He II adopta un comportament totalment oposat; en tubs de petit diàmetre es mou més ràpid que en els grans. Aquest comportament ens porta a un curiós experiment: si omplíssim una gerra de ceràmica sense esmaltar amb heli superfluid, aniria molt ràpid per la paret. L'aigua quedaria dins de la gerra. Per tant, He II és un fluid tan perfecte que passa pels porus microscòpics de la terra cremada.

Però, si ho guardéssim en un envàs porós, què passaria? Podria pensar-se que He II quedaria aquí, és a dir, no s'aniria perquè no hi ha porus. Tanmateix, això no ocorre; comença a pujar per la paret interior del recipient i baixa per la paret exterior com si cada molècula marxés escalant un mur. El procés continua fins al buidatge de l'envàs.

A) Si fem girar el recipient amb una taula giratòria, en lloc de girar, segueix aturat. I és que aquest superfluid no té viscositat ni fricció en les parets. Actua com si no tingués cap contacte amb ells.
B) Es manté immòbil respecte a les estrelles que serveixen per a fixar les coordenades astronòmiques. La nau gira amb la Terra quan l'heli superfluid està completament parat.

Aquest procés no es duria a terme per cap líquid normal, ja que d'una banda la viscositat impedeix el desplaçament capil·lar de les làmines del líquid i per la tensió superficial el líquid tendeix a omplir el menor volum possible i d'altra banda hauria de superar la força de gravetat sense rebre energia de l'exterior. Aquí s'introdueix el segon principi de la termodinàmica, que consisteix en el fet que el sistema autoprestado sempre perd energia, partint a la situació de major desordre.

Així, He II supera tots els inconvenients esmentats (viscositat, tensió superficial, força de gravetat i segon principi de la termodinàmica). El procés s'aproximaria al fet que una capa de petit gruix del superfluid comença a elevar-se per la paret interior cobrint-lo completament. En arribar a la vora del vaixell comença a descendir per la paret exterior. En aquest moment la capa externa, sota la influència de la gravetat, tira de la capa interna, buidant el recipient. Per tant, en el procés He II supera les barreres dels líquids normals abans esmentats.

No li agrada gir

Si col·loquem aigua o qualsevol altre líquid normal en un recipient i el fem girar el recipient, tant vertical com horitzontalment, l'aigua també començarà a girar sobre l'eix de gir i amb la força centrífuga es formarà un remolí al voltant de l'eix. Això no ocorre amb l'heli II: Si féssim girar el recipient ple d'He II en direcció vertical o en qualsevol altra direcció, el superfluid continuaria immòbil.

És més, no sols amb el laboratori, sinó també amb les estrelles parades, fins que el propi laboratori gira amb la Terra en l'Espai. El superfluid, per tant, es troba completament parat respecte a les direccions fixes que es prenen com a referència en astronomia. A pesar que el moviment del vaixell en qualsevol direcció (per descomptat, es tenen en compte girs i translacions lentes i no s'agiten o bolquen el vaixell), l'He compleix aquesta característica. En aquest experiment He II és una referència estable respecte a tots els moviments de l'envàs i es comporta com una baldufa giroscòpica.

Atès que l'heli superfluid no té viscositat, no té adherència ni força resistent al desplaçament amb les parets del vaixell, és a dir, al no afectar l'heli superfluid, compleix el principi d'inèrcia. En primer lloc, vegem el que diu aquest principi: un punt material que no està influenciat per cap força està parat o es mou amb un moviment rectilini uniforme. Com a conseqüència d'aquest príncep tenim la propietat de la matèria anomenada inèrcia. Aquesta propietat indica que un cos no pot canviar de manera natural el seu estat de moviment o repòs. Atès que a l'heli superfluid no se li transmet cap força externa per fricció, He II continua immòbil segons el principi d'inèrcia, una vegada que l'envàs ha començat a moure's.

En lloc de crear turbulències al voltant de l'eix de gir (el que ocorre en els líquids normals), l'heli superfluid gira al voltant d'uns petits remolins equidistants.

D'altra banda, si es desplacés l'heli superfluid, segons el principi d'inèrcia, aquest hauria de moure's amb un moviment rectilini uniforme, ja que, com s'ha indicat anteriorment, no existeix força resistent al desplaçament. Aquesta afirmació pot demostrar-se amb el següent experiment: des que l'He II es desplomi a l'interior d'un tub llarg i tancat, l'He II es mourà contínuament en el tub realitzant un corrent intern permanent, igual que els corrents elèctrics permanents es desplacen en superconductors.

Comportament enfront de la calor

Quan la calor es propaga fàcilment per l'interior d'un cos, es diu que és un bon conductor de calor. Per contra, és un mal conductor de calor quan és difícil d'expandir. Per tant, quan un cos condueix fàcilment la calor presenta una elevada conductivitat tèrmica. La conductivitat tèrmica és la propietat que ens indica com un cos porta la calor.

En els fluids, cada molècula pot desplaçar-se d'un punt a un altre, és a dir, es mou. Mitjançant aquest moviment es propaga la calor a través del fluid.

Quan un líquid normal se sotmet a una font de calor, com més a prop estigui qualsevol punt del líquid de la font de calor, més calenta és, és a dir, el líquid s'escalfa localment. Per tant, dins del líquid es generen diferències. La calor s'estén des dels punts calents fins als més freds, i com més gran sigui la diferència entre els punts, més ràpid i més ràpid.

El superfluid heli no es comporta com s'ha dit abans davant la calor. D'una banda, la seva conductivitat tèrmica és infinita, i aquesta és cada vegada major, quant menor sigui la diferència entre punts. D'altra banda, al no produir-se un punt calent en el fons de l'heli superfluid, aquest no bull. No obstant això, en escalfar-se s'aromatitza, però l'evaporació es produeix en la superfície, quedant la resta del fluid a la mateixa temperatura. En la pràctica, per tant, apareix com un superconductor de calor, és a dir, si es produeixen petites diferències, la calor es propaga ràpidament a través del líquid. Per això, l'escalfament o refredament local és pràcticament impossible. Per tant, dins del líquid no es poden produir desigualtats.

Per a conèixer la propagació de la calor a través de l'heli superfluid es va idear el següent experiment: si en un bany d'heli superfluid s'introdueix un recipient amb porus i coll atapeït, l'heli superfluid penetra pels porus, donant per finalitzat el procés de penetració quan es troben a la mateixa altura exterior i interior. Si posteriorment escalféssim l'interior del recipient amb una resistència elèctrica, el superfluid que l'envolta entraria a través de la paret per a refredar l'interior i mantenir l'equilibri. A causa de la quantitat d'heli que entra en l'envàs, la gran regalimada d'heli surt del coll de l'envàs per a eliminar la diferència de massa.

Els investigadors han reconstruït aquest experiment creant calors curtes a base d'una resistència elèctrica. Aquests escalfaments provoquen que la calor s'expandeixi com a ones a través de la massa líquida. Aquestes ones es denominen ressons secundaris. Aquesta forma de propagació de la calor no es compleix en cap altra condició.

Una vegada que l'heli superfluid entra a l'interior d'un recipient de fang, es veu dispers per la taula com si el recipient estigués fisurado. En el
cas d'utilitzar un recipient de cristall o metàl·lic, l'heli superfluid puja per la superfície interior de la paret i, una vegada arribat a la vora de l'envàs, descendeix per la superfície exterior de la paret, buidant a poc a poc el recipient i dispersant el superfluid sobre la taula.

Com a conclusió

Entre altres coses, tots els experiments realitzats amb ⁴ He podrien realitzar-se amb ³ He, però caldria treballar a temperatures més fredes, 0,001K al voltant de la temperatura. ³ L'He presenta propietats molt sorprenents: pot ser solidificat baix determinades pressions, però no refredant-se, sinó escalfant-se. A més, el ^{superfluid 3} He és magnètic, igual que el ferro o el níquel, i els experiments realitzats demostren dos tipus: 3A i 3B. 3A La densitat de l'heli (amb major imantació) és molt difícil de calcular a causa de la seva variabilitat. La densitat varia en funció del camp magnètic que travessa el superfluid.

Per a acabar, la situació superfluida interessa profundament als astrònoms, ja que explica el comportament de les estrelles de neutró. En elles hi ha una capa de neutrons que no és sòlida, líquida ni gasosa, sinó superflu. Per tant, els estudis que s'estan duent a terme en els laboratoris crioscòpics ens porten a un cel que no es veu afectat per la matèria.