Superfluidez: o misterioso efeito quântico que se tornou a espinha dorsal da física experimental – 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="Muito estranho Muitas das propriedades do hélio II, incluindo a sua extraordinária condutividade térmica, podem ser descritas usando um modelo de dois fluidos. (Cortesia: iStock/3quarks)”>

Os efeitos da mecânica quântica estão ao nosso redor, mas as propriedades quânticas da matéria geralmente só são aparentes no nível microscópico. O hélio superfluido é uma exceção, e algumas de suas características bizarras podem ser vistas a olho nu. Como João Weisend – um engenheiro da Fonte Europeia de Espalação e Universidade de Lund – explica em seu livro Superfluido, estas propriedades tornaram esta curiosa substância um componente essencial de muitas tecnologias de ponta. Longe de ser uma curiosidade científica, o hélio superfluido é hoje usado por pesquisadores e engenheiros em quantidades de várias toneladas.

No seu livro, que gostei de ler, Weisend explora como o hélio superfluido desempenhou um papel importante em algumas das mais importantes descobertas científicas dos últimos 100 anos. Estes incluem as descobertas do bóson de Higgs em CERN e as heterogeneidades na radiação cósmica de fundo em micro-ondas – ambas as quais levaram a prémios Nobel de física.

Enquanto Superfluido é voltado para não-físicos, descobri que havia muito que me interessava como alguém com formação em física da matéria condensada. Na verdade, Weisend vai muito além da física e fornece uma descrição clara e concisa de como o hélio superfluido é usado pelos engenheiros em experimentos científicos. O livro é ilustrado com desenhos técnicos originais, o que lhe confere um toque caloroso e histórico.

Hélio líquido e o nascimento da criogenia

As estranhas propriedades do superfluido hélio-4 (também conhecido como hélio II líquido) surgem devido às regras quânticas que regem a simetria das funções de onda dos átomos de hélio. Os elétrons, que são férmions, não podem ocupar o mesmo estado quântico, mas o mesmo não acontece com os átomos de hélio-4. Quando resfriados abaixo de cerca de 2 K, um grande número de átomos pode ocupar o estado de energia mais baixa (fundamental).

Quando isso acontece, os átomos formam um superfluido. Os superfluidos podem fluir para cima e através de aberturas muito pequenas, conduzem o calor de forma muito eficiente e não fervem como os líquidos convencionais. Weisend explica que essas propriedades tornam o hélio II extremamente útil para resfriar coisas a temperaturas muito baixas.

O livro é ilustrado com desenhos técnicos originais, o que lhe confere um toque caloroso e histórico

Superfluido começa no final do século XIX com a corrida para liquefazer gases como oxigênio, nitrogênio e hidrogênio – uma corrida que criou o campo moderno da criogenia. O hélio provou ser um desafio porque a sua temperatura de ebulição de 19 K é muito inferior à de outros gases. Além disso, o hélio só foi isolado na Terra em 4.2 e esteve em falta até 1895, quando foi encontrado no gás natural.

Mas um grande avanço ocorreu em 1908, quando o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes se tornou o primeiro a liquefazer o hélio. Onnes então usou suas descobertas para resfriar vários materiais e medir suas propriedades, o que o levou à descoberta da supercondutividade em 1911. Ele conquistou o Prêmio Nobel de Física de 1913 por seu trabalho em criogenia.

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Sinais de superfluidez podem ter sido detectados por Onnes quando viu evidências de uma transição de fase no hélio líquido à medida que a substância esfriava. Mas, apesar deste sucesso experimental inicial, continuou a ser difícil liquefazer o hélio até meados da década de 1930, quando a propriedade do superfluido de viscosidade zero foi medida pela primeira vez. Isso foi feito tanto pelo físico soviético Piotr Kapitza quanto de forma independente pelos pesquisadores canadenses Jack Allen e Don Misener. Num movimento que não foi perdoado por alguns físicos canadianos, incluindo este revisor, apenas Kapitza recebeu o Prémio Nobel da Física de 1978 pela descoberta.

Um dos aspectos mais fascinantes do hélio II é que muitas de suas propriedades únicas e úteis podem ser compreendidas usando um modelo relativamente simples que o descreve como tendo componentes superfluidos e fluidos normais. Este modelo de dois fluidos foi desenvolvido no final da década de 1930 pelo alemão Fritz London e pelo húngaro Laszlo Tisza, e é notavelmente bom para explicar como o calor e a massa são transferidos pelo hélio II – e Weisend também faz um ótimo trabalho ao descrever os dois. -modelo fluido em seu livro.

A descrição completa da mecânica quântica do hélio II foi desenvolvida pelo físico teórico soviético Lev Landau em 1941, pelo qual ganhou o prêmio Nobel em 1962. Weisend descreve a teoria como difícil de entender e sabiamente não tenta uma explicação aprofundada. em seu livro.

Manter a calma

Embora os físicos tivessem uma boa compreensão do hélio II na década de 1940, só na década de 1960 é que as propriedades únicas da substância começaram a ser exploradas por cientistas e engenheiros – e Weisend dedica grande parte do seu trabalho. Superfluido a essas aplicações. Ele explica que as duas características mais úteis do hélio II são a sua temperatura muito baixa e a sua condução de calor muito elevada, sendo esta última devida a um fenómeno único denominado “convecção interna”.

Quando o hélio II está em um gradiente de temperatura, o componente normal do fluido se afasta da região quente, enquanto o componente superfluido se move em sua direção. Weisend explica que este processo torna o hélio II um condutor térmico incrível – é quase 1000 vezes mais eficiente que o cobre na remoção de calor. Outro benefício da convecção interna é que o calor é transportado tão rapidamente que não podem formar-se bolhas no hélio II à medida que aquece, pelo que não há perigo de ebulição explosiva.

Apesar das suas estranhas propriedades quânticas, o hélio II flui através de grandes tubos de forma muito semelhante a um fluido normal, por isso é relativamente simples de manusear. No entanto, o componente superfluido pode passar facilmente através de poros minúsculos, enquanto o fluido normal não. O resultado é o “efeito fonte”, que pode ser usado para bombear hélio II sem quaisquer meios mecânicos.

O resultado é que o hélio II pode resfriar com muita eficiência uma ampla gama de materiais a temperaturas nas quais eles se tornam supercondutores. Os supercondutores podem transportar grandes correntes elétricas sem aquecer, e Weisend analisa duas aplicações muito frutíferas de supercondutores resfriados com hélio II em seu livro.

Do subsolo ao espaço sideral

A primeira a surgir foi a cavidade supercondutora de radiofrequência (SRF), desenvolvida na década de 1960 para acelerar partículas carregadas. Uma cavidade SRF é essencialmente uma câmara em um tubo supercondutor que ressoa com um sinal de RF. À medida que a energia RF é bombeada para dentro da cavidade, um enorme campo elétrico oscilante é criado ao longo do tubo. Se uma partícula carregada for introduzida na cavidade no momento certo, ela será acelerada. Na verdade, quando várias cavidades diferentes estão ligadas, podem ser alcançadas acelerações muito elevadas.

O hélio II pode resfriar com muita eficiência uma ampla gama de materiais a temperaturas nas quais eles se tornam supercondutores

Weisend explica como foi feito o trabalho pioneiro em SRFs na Universidade de Stanford nos EUA, onde o Acelerador Supercondutor de Stanford foi construído na década de 1960. O livro também descreve como, na década de 1980, os cientistas construíram o Instalação de acelerador de feixe de elétrons contínuo (CEBAF) nos EUA evitou um esquema de aceleração à temperatura ambiente e apostou nos SRFs resfriados com hélio II. Na década de 1990, Acelerador linear supercondutor de energia Tera Electron Volt (TESLA) no DESY na Alemanha liderou o esforço para desenvolver SRFs para um Colisor Linear Internacional (ILC), que poderia ser um sucessor do Grande Colisor de Hádrons (LHC).

Nesse ínterim, muitos outros laboratórios adotaram SRFs resfriados com hélio II, incluindo o CERN. Além de resfriar os SRFs no CERN, os ímãs do LHC são resfriados usando hélio II. Weisend salienta que a tecnologia de arrefecimento magnético utilizada no CERN e noutros laboratórios foi pioneira para uma aplicação muito diferente, a busca pela criação de fusão nuclear num plasma de hidrogénio magneticamente confinado. Isso foi feito no Tore Supra, um tokamak francês que operou de 1988 a 2010 e desde então foi atualizado e renomeado OESTE. O tokamak está localizado em Cadarache, onde o demonstrador de energia de fusão ITER está atualmente sendo construído com ímãs que serão resfriados por hélio líquido normal, em vez de hélio II.

O superfluido 'parece' uma superfície condutora de calor envolvendo um interior vazio

Outro feito de engenharia superfluida que Weisend aborda em detalhes é o Satélite Astronômico Infravermelho (IRAS), que foi lançado em 1983 e foi o primeiro uso significativo de hélio II no espaço. Weisend explica como os projetistas do IRAS superaram desafios significativos, incluindo o desenvolvimento de uma maneira de liberar vapor de hélio quando ele é misturado com bolhas de líquido em um ambiente de baixa gravidade.

O IRAS manteve o resfriamento superfluido por 300 dias enquanto descobria muitos objetos infravermelhos. Seu sucesso inspirou futuras missões que usaram hélio II, incluindo o Cosmic Background Explorer (COBE). Este foi lançado em 1989 e levou George Smoot e John Mather a receberem o Prêmio Nobel de Física em 2006 pela descoberta da anisotropia da radiação cósmica de fundo.

Além de olhar para o passado e o presente do hélio II, Superfluido olha para o futuro. Weisend ressalta que a era do hélio II no espaço provavelmente acabou devido ao desenvolvimento de resfriadores mecânicos que podem atingir temperaturas muito baixas. Ele também aborda brevemente o outro superfluido de hélio, o hélio-3, e como ele pode ser usado junto com o hélio II para resfriar coisas a temperaturas muito baixas em um refrigerador de diluição.

Embora não possamos mais lançar superfluidos no espaço, Weisend deixa claro que há muitas aplicações futuras aqui na Terra. Na verdade, as centrais eléctricas de fusão refrigeradas a hélio II poderiam ajudar a descarbonizar a economia e os aceleradores da próxima geração poderão em breve dar-nos uma visão da física para além do Modelo Padrão.

• 2023 Springer 150pp $ 29.99pb

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/superfluidity-the-mysterious-quantum-effect-that-became-a-backbone-of-experimental-physics/