Por primera vez, un investigador ha descrito cómo se “sentiría” tocar un superfluido cuántico. A través de nuevos experimentos, Samuli Autti y colegas de la Universidad de Lancaster en el Reino Unido llegaron a la conclusión de que un superfluido de helio-3 ultrafrío se sentiría como una superficie bidimensional conductora de calor que encierra una masa vacía.

La superfluidez es una consecuencia notable de la mecánica cuántica que ocurre a temperaturas ultrafrías. Cerca del cero absoluto, algunos fluidos sufrirán una transición a un estado de viscosidad cero y pueden fluir para siempre sin resistencia cero.

La superfluidez se observó por primera vez en el helio-4 allá por 1937 y hoy también se estudia en gases atómicos ultrafríos llamados condensados ​​de Bose-Einstein. Pero quizás el descubrimiento de superfluidos más interesante se produjo en 1970, cuando tres físicos estadounidenses demostraron que el helio-3 también puede convertirse en un superfluido, aunque a temperaturas mucho más bajas que el helio-4.

emparejamiento

A diferencia del helio-4, que es un bosón propenso a condensarse en un superfluido, el helio-3 es un fermión que no debería presentar superfluidez. Sin embargo, a temperaturas muy bajas, los átomos de helio-3 se emparejan para formar bosones, que luego pueden formar un superfluido.

Este complicado proceso significa que la física del helio-3 superfluido es mucho más rica que la del helio-4. Por ejemplo, un superfluido de helio-3 existe en dos fases distintas: una “fase A” isotrópica y una “fase B” anisotrópica, que se definen en términos de las orientaciones relativas de los espines de los átomos emparejados.

La fase B ocurre a temperaturas más bajas e involucra una configuración de triplete de espín. El superfluido reacciona a estímulos externos mediante la división de pares, creando cuasipartículas que conducen el calor a través de la fase B.

Sin embargo, la densidad de estas cuasipartículas cae drásticamente a medida que el superfluido se enfría. A temperaturas inferiores a aproximadamente 1 mK, el interior del fluido sólo puede conducir calor de manera eficiente desde fuentes lo suficientemente calientes como para crear nuevas cuasipartículas. Hasta ahora, los investigadores no se han planteado cómo afectaría esta propiedad al comportamiento mecánico macroscópico de la fase B.

Desglose mecánico

Una cuestión particularmente interesante tiene que ver con la falla mecánica del superfluido. "Tradicionalmente, se cree que los superfluidos se descomponen si se los golpea con suficiente fuerza con una sonda mecánica", explica Autti. "Cómo se produce la descomposición parece una pregunta sencilla, pero sigue siendo un problema abierto en el caso del helio superfluido".

Para explorar esto más a fondo, el equipo de Autti diseñó un experimento en el que un superfluido de helio-3 de fase B es sondeado por un cable vibrante con forma de portería. A medida que se mueve hacia adelante y hacia atrás, el calor introducido por la barra transversal del cable crea nuevas cuasipartículas en el superfluido.

"Analizamos cuidadosamente esta firma de calor moviendo la varilla de la sonda en el superfluido, lo que nos permitió reconstruir la interacción entre la sonda y el superfluido", explica Autti.

Los investigadores descubrieron que la masa interior del superfluido no transmite ningún calor. En cambio, las cuasipartículas están confinadas a los bordes del recipiente, por lo que el calor generado por la sonda se transporta a lo largo de la superficie.

superfluido superficial

"A las temperaturas más bajas, el helio-3 superfluido está rodeado por una fase superfluida bidimensional independiente", explica Autti. "Este superfluido tiene su propio transporte de calor e interactúa principalmente con sondas insertadas en la masa".

Este efecto tiene algunas consecuencias especialmente interesantes para las propiedades mecánicas del superfluido. “Resulta que el superfluido a granel no se rompió; permaneció pasivo por mucho que lo intentáramos”, continúa Autti.

“En cambio, aprendimos que la sonda solo interactuaba con un sistema muy, muy delgado, esencialmente bidimensional, que cubre la sonda. Aún más inesperado, una mirada más cercana reveló que esta capa transportaba calor de manera bastante efectiva, mientras que la mayor parte no desempeñaba ningún papel en el flujo de calor”.

A partir de este descubrimiento, el equipo pudo predecir por primera vez cómo se sentiría al tacto un superfluido de este tipo. En marcado contraste con un fluido clásico, concluyeron que la masa interior de helio-3 superfluido se sentiría vacía, como mover los dedos en el vacío. Dado que el calor se transmite a través de la superficie del superfluido, tocarlo sería como empujar un material delgado en 2D, con el calor fluyendo a lo largo de los dedos.

Este descubrimiento marca un gran avance en nuestra comprensión de las propiedades macroscópicas del helio-3 superfluido y podría tener implicaciones importantes para campos que van desde la física de partículas hasta la cosmología, donde los fluidos cuánticos exóticos se estudian ampliamente. "Creo que podemos asumir con seguridad que nuestra visión de la física básica en otros lugares cambiará debido a estos hallazgos en el helio-3 superfluido", dice Autti.

La investigación se describe en Nature Communications.

• Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
• PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
• PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
• PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
• PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
• Fuente: https://physicsworld.com/a/superfluid-feels-like-a-heat-conducting-surface-enclosing-an-empty-interior/