Superfluidez: el misterioso efecto cuántico que se convirtió en la columna vertebral de la física experimental – Física Mundial

Superfluidez: el misterioso efecto cuántico que se convirtió en la columna vertebral de la física experimental – Física Mundial

Marca de tiempo: 14 de febrero de 2024 6:00 AM

Hamish Johnston Reseñas Superfluido: cómo un fluido cuántico revolucionó la ciencia moderna por John Weisend

<a href="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics-physics-world-3.jpg" data-caption="súper extraño Muchas de las propiedades del helio II, incluida su extraordinaria conductividad térmica, pueden describirse mediante un modelo de dos fluidos. (Cortesía: iStock/3quarks)”> Impresión artística de un superfluido.
súper extraño Muchas de las propiedades del helio II, incluida su extraordinaria conductividad térmica, pueden describirse mediante un modelo de dos fluidos. (Cortesía: iStock/3quarks)

Los efectos de la mecánica cuántica nos rodean por todas partes, pero las propiedades cuánticas de la materia generalmente sólo son aparentes a nivel microscópico. El helio superfluido es una excepción y algunas de sus extrañas características pueden verse a simple vista. Como Juan Weisend – un ingeniero en el Fuente de Espalación Europea y Universidad de Lund – explica en su libro Superfluido, estas propiedades han convertido a esta curiosa sustancia en un componente esencial de muchas tecnologías de vanguardia. Lejos de ser una curiosidad científica, hoy en día investigadores e ingenieros utilizan helio superfluido en cantidades de varias toneladas.

En su libro, que disfruté leyendo, Weisend explora cómo el helio superfluido ha desempeñado un papel importante en algunos de los avances científicos más importantes de los últimos 100 años. Estos incluyen los descubrimientos del bosón de Higgs en CERN y las faltas de homogeneidad en la radiación cósmica de fondo de microondas, factores que condujeron a premios Nobel de física.

Aunque la Superfluido está dirigido a personas no físicas, descubrí que había muchas cosas que me interesaban como alguien con experiencia en física de la materia condensada. De hecho, Weisend va mucho más allá de la física y proporciona una descripción clara y concisa de cómo los ingenieros utilizan el helio superfluido en experimentos científicos. El libro está ilustrado con dibujos técnicos originales, lo que le da una sensación cálida e histórica.

El helio líquido y el nacimiento de la criogenia

Las extrañas propiedades del helio-4 superfluido (también conocido como helio II líquido) surgen debido a las reglas cuánticas que gobiernan la simetría de las funciones de onda de los átomos de helio. Los electrones, que son fermiones, no pueden ocupar el mismo estado cuántico, pero no ocurre lo mismo con los átomos de helio-4. Cuando se enfrían por debajo de aproximadamente 2 K, un gran número de átomos pueden ocupar el estado de menor energía (base).

Cuando esto sucede, los átomos forman un superfluido. Los superfluidos pueden fluir cuesta arriba y a través de aberturas muy pequeñas, conducen el calor de manera muy eficiente y no hierven como los líquidos convencionales. Weisend explica que estas propiedades hacen que el helio II sea extremadamente útil para enfriar cosas a temperaturas muy bajas.

El libro está ilustrado con dibujos técnicos originales, lo que le da una sensación cálida e histórica.

Superfluido Comienza a finales del siglo XIX con la carrera por licuar gases como el oxígeno, el nitrógeno y el hidrógeno, una carrera que creó el campo moderno de la criogenia. El helio resultó ser un desafío porque su temperatura de ebullición de 19 K es mucho más baja que la de otros gases. Además, el helio no se aisló en la Tierra hasta 4.2 y fue escaso hasta 1895, cuando se encontró en el gas natural.

Pero en 1908 se produjo un gran avance cuando la física holandesa Heike Kamerlingh Onnes fue la primera en licuar helio. Luego, Onnes utilizó sus hallazgos para enfriar varios materiales y medir sus propiedades, lo que lo llevó a descubrir la superconductividad en 1911. Obtuvo el Premio Nobel de Física de 1913 por su trabajo en criogenia.

Onnes pudo haber detectado indicios de superfluidez cuando vio evidencia de una transición de fase en el helio líquido a medida que la sustancia se enfriaba. Pero a pesar de este éxito experimental inicial, siguió siendo difícil licuar el helio hasta bien entrada la década de 1930, cuando se midió por primera vez la propiedad superfluida de viscosidad cero. Esto lo hicieron tanto el físico soviético Piotr Kapitza como, de forma independiente, los investigadores canadienses Jack Allen y Don Misener. En una medida que no ha sido perdonada por algunos físicos canadienses, incluido este crítico, sólo Kapitza recibió el Premio Nobel de Física de 1978 por su descubrimiento.

Uno de los aspectos más fascinantes del helio II es que muchas de sus propiedades únicas y útiles pueden entenderse utilizando un modelo relativamente simple que describe que tiene componentes superfluidos y fluidos normales. Este modelo de dos fluidos fue desarrollado a finales de la década de 1930 por el alemán Fritz London y el húngaro Laszlo Tisza, y es notablemente bueno para explicar cómo el helio II transfiere calor y masa, y Weisend también hace un gran trabajo al describir los dos. -modelo de fluidos en su libro.

La descripción mecánica cuántica completa del helio II fue desarrollada por el físico teórico soviético Lev Landau en 1941, por lo que obtuvo el premio Nobel en 1962. Weisend describe la teoría como difícil de entender y sabiamente no intenta una explicación en profundidad. en su libro.

Manteniendo fresco

Si bien los físicos conocían bien el helio II en la década de 1940, no fue hasta la década de 1960 cuando los científicos e ingenieros comenzaron a explotar las propiedades únicas de la sustancia (y Weisend dedica gran parte de su investigación). Superfluido a estas aplicaciones. Explica que las dos características más útiles del helio II son su muy baja temperatura y su muy alta conducción de calor, esta última debida a un fenómeno único llamado “convección interna”.

Cuando el helio II está en un gradiente de temperatura, el componente normal del fluido se aleja de la región caliente, mientras que el componente superfluido se acerca a ella. Weisend explica que este proceso convierte al helio II en un increíble conductor térmico: es casi 1000 veces más eficiente que el cobre para eliminar el calor. Otro beneficio de la convección interna es que el calor se transporta tan rápidamente que no se pueden formar burbujas en el helio II a medida que se calienta, por lo que no hay peligro de ebullición explosiva.

A pesar de sus extrañas propiedades cuánticas, el helio II fluye a través de grandes tuberías como un fluido normal, por lo que es relativamente sencillo de manejar. Sin embargo, el componente superfluido puede pasar muy fácilmente a través de poros diminutos, mientras que el líquido normal no puede. El resultado es el “efecto fuente”, que permite bombear helio II sin ningún medio mecánico.

El resultado es que el helio II puede enfriar de manera muy eficiente una amplia gama de materiales a temperaturas en las que se vuelven superconductores. Los superconductores pueden transportar grandes corrientes eléctricas sin calentarse, y Weisend analiza dos aplicaciones muy fructíferas de los superconductores refrigerados por helio II en su libro.

Del subsuelo al espacio exterior

La primera en surgir fue la cavidad de radiofrecuencia superconductora (SRF), desarrollada en la década de 1960 para acelerar partículas cargadas. Una cavidad SRF es esencialmente una cámara en un tubo superconductor que resuena con una señal de RF. A medida que se bombea energía de RF al interior de la cavidad, se crea un enorme campo eléctrico oscilante a lo largo del tubo. Si se introduce una partícula cargada en la cavidad en el momento justo, se acelerará. En efecto, cuando se conectan varias cavidades diferentes, se pueden conseguir aceleraciones muy elevadas.

El helio II puede enfriar de manera muy eficiente una amplia gama de materiales a temperaturas en las que se vuelven superconductores.

Weisend explica cómo se realizó el trabajo pionero sobre los SRF en Universidad de Stanford en Estados Unidos, donde se construyó el Acelerador Superconductor de Stanford en los años 1960. El libro también describe cómo, en la década de 1980, los científicos que construyeron el Instalación de acelerador de haz de electrones continuo (CEBAF) en Estados Unidos evitó un esquema de aceleración a temperatura ambiente y apostó por los SRF refrigerados por helio II. En la década de 1990, el Acelerador lineal superconductor de energía de voltios Tera Electron (TESLA) en DESY (Alemania) lideró el desarrollo de SRF para un Colisionador Lineal Internacional (ILC), que podría ser el sucesor del Gran Colisionador de Hadrones (LHC).

Mientras tanto, muchos otros laboratorios han adoptado SRF refrigerados por helio II, incluido el CERN. Además de enfriar los SRF en el CERN, los imanes del LHC se enfrían con helio II. Weisend señala que la tecnología de enfriamiento magnético utilizada en el CERN y otros laboratorios fue pionera en una aplicación muy diferente: la búsqueda de crear fusión nuclear en un plasma de hidrógeno confinado magnéticamente. Esto se hizo en Tore Supra, que era un tokamak francés que operó desde 1988 hasta 2010 y desde entonces ha sido actualizado y renombrado. WEST. El tokamak está ubicado en Cadarache, donde actualmente se está construyendo el demostrador de energía de fusión ITER con imanes que se enfriarán con helio líquido normal, en lugar de helio II.

Otra hazaña de la ingeniería de superfluidos que Weisend cubre en detalle es la Satélite astronómico infrarrojo (IRAS), que se lanzó en 1983 y fue el primer uso significativo de helio II en el espacio. Weisend explica cómo los diseñadores de IRAS superaron desafíos importantes, incluido el desarrollo de una forma de ventilar el vapor de helio cuando se mezcla con gotas de líquido en un entorno de baja gravedad.

IRAS mantuvo el enfriamiento superfluido durante 300 días mientras descubría muchos objetos infrarrojos. Su éxito inspiró futuras misiones que utilizaron helio II, incluido el Cosmic Background Explorer (COBE). Este se lanzó en 1989 y llevó a que George Smoot y John Mather recibieran el Premio Nobel de Física en 2006 por descubrir la anisotropía del fondo cósmico de microondas.

Además de analizar el pasado y el presente del helio II, Superfluido mira hacia el futuro. Weisend señala que la era del helio II en el espacio probablemente haya terminado debido al desarrollo de refrigeradores mecánicos que pueden alcanzar temperaturas muy bajas. También aborda brevemente el otro superfluido de helio, el helio-3, y cómo se puede utilizar junto con el helio II para enfriar cosas a temperaturas muy bajas en un refrigerador de dilución.

Si bien es posible que ya no lancemos superfluidos al espacio, Weisend deja en claro que hay muchas aplicaciones futuras aquí en la Tierra. De hecho, las plantas de energía de fusión refrigeradas por helio II podrían ayudar a descarbonizar la economía y los aceleradores de próxima generación pronto podrían brindarnos una visión de la física más allá del modelo estándar.

  • 2023 Springer 150pp $ 29.99pb

Sello de tiempo:

Mas de Mundo de la física