Superfluidità: il misterioso effetto quantistico diventato spina dorsale della fisica sperimentale – Physics World

<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="Molto strano Molte delle proprietà dell'elio II, inclusa la sua straordinaria conduttività termica, possono essere descritte utilizzando un modello a due fluidi. (Per gentile concessione: iStock/3quarks)”>

Gli effetti della meccanica quantistica sono ovunque intorno a noi, ma le proprietà quantistiche della materia sono generalmente evidenti solo a livello microscopico. L'elio superfluido è un'eccezione e alcune delle sue bizzarre caratteristiche possono essere viste ad occhio nudo. COME John Weisend – un ingegnere presso Fonte europea di spallazione ed Università di Lund – spiega nel suo libro Superfluido, queste proprietà hanno reso questa curiosa sostanza una componente essenziale di molte tecnologie all'avanguardia. Lungi dall'essere una curiosità scientifica, oggi l'elio superfluido viene utilizzato da ricercatori e ingegneri in quantità di diverse tonnellate.

Nel suo libro, che mi è piaciuto leggere, Weisend esplora come l'elio superfluido abbia svolto un ruolo importante in alcune delle scoperte scientifiche più importanti degli ultimi 100 anni. Questi includono le scoperte del bosone di Higgs a CERN e le disomogeneità nella radiazione cosmica di fondo a microonde – che hanno portato entrambi al premio Nobel per la fisica.

Mentre Superfluido è rivolto ai non fisici, ho scoperto che c'erano molte cose che mi interessavano come persona con un background in fisica della materia condensata. In effetti, Weisend va ben oltre la fisica e fornisce una descrizione chiara e concisa di come l’elio superfluido viene utilizzato dagli ingegneri negli esperimenti scientifici. Il libro è illustrato utilizzando disegni tecnici originali, che gli conferiscono un'atmosfera calda e storica.

L'elio liquido e la nascita della criogenia

Le strane proprietà dell'elio-4 superfluido (noto anche come elio liquido II) derivano dalle regole quantistiche che governano la simmetria delle funzioni d'onda degli atomi di elio. Gli elettroni, che sono fermioni, non possono occupare lo stesso stato quantico, ma lo stesso non vale per gli atomi di elio-4. Quando raffreddati al di sotto di circa 2 K, un gran numero di atomi possono occupare lo stato energetico (fondamentale) più basso.

Quando ciò accade, gli atomi formano un superfluido. I superfluidi possono scorrere in salita e attraverso aperture molto piccole, conducono il calore in modo molto efficiente e non bolliranno come i liquidi convenzionali. Weisend spiega che queste proprietà rendono l'elio II estremamente utile per raffreddare gli oggetti a temperature molto basse.

Il libro è illustrato utilizzando disegni tecnici originali, che gli conferiscono un'atmosfera calda e storica

Superfluido inizia alla fine del XIX secolo con la corsa alla liquefazione di gas come ossigeno, azoto e idrogeno, una corsa che ha creato il moderno campo della criogenia. L'elio si è rivelato una sfida perché la sua temperatura di ebollizione di 19 K è molto più bassa rispetto ad altri gas. Inoltre, l’elio fu isolato sulla Terra solo nel 4.2 e scarseggiava fino al 1895, quando fu trovato nel gas naturale.

Ma una svolta arrivò nel 1908 quando il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes fu il primo a liquefare l'elio. Onnes utilizzò quindi le sue scoperte per raffreddare vari materiali e misurarne le proprietà, cosa che portò alla scoperta della superconduttività nel 1911. Nel 1913 vinse il Premio Nobel per la fisica per il suo lavoro sulla criogenia.

Thomas Kuhn: nuove intuizioni su un filosofo della scienza rivoluzionario

Accenni di superfluidità potrebbero essere stati individuati da Onnes quando vide prove di una transizione di fase nell'elio liquido mentre la sostanza si raffreddava. Ma nonostante questo successo sperimentale iniziale, rimase difficile liquefare l’elio fino agli anni ’1930, quando fu misurata per la prima volta la proprietà superfluida di viscosità zero. Ciò è stato fatto sia dal fisico sovietico Piotr Kapitza che, indipendentemente, dai ricercatori canadesi Jack Allen e Don Misener. Con una mossa che non è stata perdonata da alcuni fisici canadesi, incluso questo recensore, solo Kapitza è stato insignito del Premio Nobel per la fisica nel 1978 per la scoperta.

Uno degli aspetti più affascinanti dell'elio II è che molte delle sue proprietà uniche e utili possono essere comprese utilizzando un modello relativamente semplice che lo descrive come avente componenti superfluidi e fluidi normali. Questo modello a due fluidi è stato sviluppato alla fine degli anni ’1930 dal tedesco Fritz London e dall’ungherese Laszlo Tisza, ed è straordinariamente efficace nello spiegare come il calore e la massa vengono trasferiti dall’elio II – e Weisend fa anche un ottimo lavoro nel descrivere i due -modello fluido nel suo libro.

La descrizione quantomeccanica completa dell'elio II fu sviluppata dal fisico teorico sovietico Lev Landau nel 1941, per il quale vinse un premio Nobel nel 1962. Weisend descrive la teoria come difficile da comprendere e saggiamente non tenta una spiegazione approfondita. nel suo libro.

Mantenere la calma

Mentre i fisici avevano una buona comprensione dell’elio II già negli anni ’1940, fu solo a partire dagli anni ’1960 che le proprietà uniche della sostanza iniziarono ad essere sfruttate da scienziati e ingegneri – e Weisend dedica gran parte del suo lavoro Superfluido a queste applicazioni. Spiega che le due caratteristiche più utili dell'elio II sono la sua temperatura molto bassa e la sua altissima conduzione del calore, quest'ultima dovuta a un fenomeno unico chiamato "convezione interna".

Quando l'elio II si trova in un gradiente di temperatura, la componente normale del fluido si allontana dalla regione calda, mentre la componente superfluida si muove verso di essa. Weisend spiega che questo processo rende l’elio II un incredibile conduttore termico: è quasi 1000 volte più efficiente del rame nel rimuovere il calore. Un altro vantaggio della convezione interna è che il calore viene trasportato così rapidamente che non possono formarsi bolle nell'elio II mentre si riscalda, quindi non c'è pericolo di ebollizione esplosiva.

Nonostante le sue strane proprietà quantistiche, l’elio II scorre attraverso grandi tubi in modo molto simile a un normale fluido, quindi è relativamente semplice da maneggiare. Tuttavia, la componente superfluida può passare molto facilmente attraverso piccoli pori, mentre il fluido normale no. Il risultato è l’“effetto fontana”, che può essere utilizzato per pompare l’elio II senza alcun mezzo meccanico.

Il risultato è che l’elio II può raffreddare in modo molto efficiente un’ampia gamma di materiali a temperature alle quali diventano superconduttori. I superconduttori possono trasportare grandi correnti elettriche senza riscaldarsi e Weisend nel suo libro esamina due applicazioni molto fruttuose dei superconduttori raffreddati con elio II.

Dal sottosuolo allo spazio

La prima ad emergere è stata la cavità superconduttiva a radiofrequenza (SRF), sviluppata negli anni ’1960 per accelerare le particelle cariche. Una cavità SRF è essenzialmente una camera in un tubo superconduttore che risuona con un segnale RF. Quando l'energia RF viene pompata nella cavità, lungo il tubo viene creato un enorme campo elettrico oscillante. Se una particella carica viene introdotta nella cavità al momento giusto, verrà accelerata. Infatti, quando si collegano più cavità diverse, si possono ottenere accelerazioni molto elevate.

L'elio II può raffreddare in modo molto efficiente un'ampia gamma di materiali a temperature alle quali diventano superconduttori

Weisend spiega come è stato svolto il lavoro pionieristico sugli SRF Università di Stanford negli Stati Uniti, dove negli anni ’1960 fu costruito lo Stanford Superconducting Accelerator. Il libro descrive anche come, negli anni '1980, gli scienziati costruirono il Impianto di accelerazione del fascio di elettroni continuo (CEBAF) negli Stati Uniti ha evitato uno schema di accelerazione a temperatura ambiente e ha colto l’occasione con i SRF raffreddati con elio II. Negli anni '1990, il Tera Electron Volt Energy Acceleratore lineare superconduttore (TESLA) presso DESY in Germania ha guidato lo sviluppo di SRF per un International Linear Collider (ILC), che potrebbe essere il successore del Large Hadron Collider (LHC).

Nel frattempo, molti altri laboratori hanno adottato i SRF raffreddati a elio II, compreso il CERN. Oltre a raffreddare gli SRF al CERN, i magneti dell'LHC vengono raffreddati utilizzando l'elio II. Weisend sottolinea che la tecnologia di raffreddamento del magnete utilizzata al CERN e in altri laboratori è stata sperimentata per un'applicazione molto diversa, il tentativo di creare la fusione nucleare in un plasma di idrogeno confinato magneticamente. Ciò è stato fatto a Tore Supra, un tokamak francese che ha operato dal 1988 al 2010 e da allora è stato aggiornato e ribattezzato WEST. Il tokamak si trova a Cadarache, dove è attualmente in costruzione il dimostratore della potenza di fusione ITER con magneti che saranno raffreddati dal normale elio liquido, anziché dall'elio II.

Il superfluido "sembra" una superficie termoconduttiva che racchiude un interno vuoto

Un'altra impresa di ingegneria superfluida che Weisend tratta in dettaglio è Satellite astronomico a infrarossi (IRAS), lanciato nel 1983 e che rappresentò il primo utilizzo significativo dell'elio II nello spazio. Weisend spiega come i progettisti IRAS hanno superato sfide significative, incluso lo sviluppo di un modo per sfogare il vapore di elio quando viene mescolato con gocce di liquido in un ambiente a bassa gravità.

IRAS ha mantenuto il raffreddamento superfluido per 300 giorni scoprendo molti oggetti a infrarossi. Il suo successo ha ispirato future missioni che utilizzavano l'elio II, incluso il Cosmic Background Explorer (COBE). Questo è stato lanciato nel 1989 e ha portato George Smoot e John Mather a ricevere il Premio Nobel per la fisica nel 2006 per aver scoperto l'anisotropia dello sfondo cosmico a microonde.

Oltre a guardare al passato e al presente dell'elio II, Superfluido guarda al futuro. Weisend sottolinea che l'era dell'elio II nello spazio è probabilmente finita a causa dello sviluppo di refrigeratori meccanici che possono raggiungere temperature molto basse. Tocca anche brevemente l'altro superfluido di elio, l'elio-3, e come può essere utilizzato insieme all'elio II per raffreddare le cose a temperature molto basse in un frigorifero a diluizione.

Anche se forse non lanceremo più superfluidi nello spazio, Weisend chiarisce che ci sono molte applicazioni future qui sulla Terra. In effetti, le centrali elettriche a fusione raffreddate a elio II potrebbero aiutare a decarbonizzare l’economia e gli acceleratori di prossima generazione potrebbero presto darci una visione della fisica oltre il Modello Standard.

• Springer 2023 150 a persona $ 29.99 al barattolo

• Distribuzione di contenuti basati su SEO e PR. Ricevi amplificazione oggi.
• PlatoData.Network Generativo verticale Ai. Potenzia te stesso. Accedi qui.
• PlatoAiStream. Intelligenza Web3. Conoscenza amplificata. Accedi qui.
• PlatoneESG. Carbonio, Tecnologia pulita, Energia, Ambiente, Solare, Gestione dei rifiuti. Accedi qui.
• Platone Salute. Intelligence sulle biotecnologie e sulle sperimentazioni cliniche. Accedi qui.
• Fonte: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/