Suprafluiditatea

Suprafluiditatea este o      stare a materiei caracterizata prin absenta completa a vascozitatii sau a rezistentei la curgere. Termenul de "suprafluiditate" este folosit in primul rand la descrierea fenomenului observat la heliul lichid la temperaturi foarte scazu-te, dar alteori termenul se foloseste la fenomenul de "curgere" fara frecare a electronilor din anumite metale si aliaje (supraconductibilitate).

Aceasta caracteristica a fost descoperita de fizicianul rus Piotr Kapita in anul 1937 si apoi (independent de primul) de englezul John Frank Allen si colaboratorii sai.

Ei au observat ca heliul lichid (⁴He) racit la 2,17 K (-270,98 C) poate curge prin gauri extrem de mici, prin care aceeasi substanta la temperaturi mai ridicate nu poate face acelasi lucru. Totodata ei au remarcat pe peretii vasului in care se afla heliul suprafluid ca acesta a format o pelicula foarte subtire (groasa de aproximativ 100 atomi) care curgea in sens invers gravitatii. Temperatura de 2,17 K a fost numita punctul lambda pentru ca graficul caldurii specifice a heliului lichid arata ca litera greceasca lambda (l

La presiune normala, heliul se lichefiaza la 4,2 K. Heliul lichid prezinta doua faze denumite heliu I (normal) si heliu II (suprafluid). Pe langa suprafluiditate se observa si alte fenomene neobisnuite la heliul II. Conductibilitatea lui este foarte ridicata, de cca. 3 milioane de ori mai mare decat la heliu I.

Heliul suprafluid curge spontan dintr-o regiune mai rece intr-una cu temperatura mai ridicata; insa heliul I curge in directia opusa. La inducerea curgerii apar spontan diferente de temperatura in lichid. Se crede ca heliul II este un amestec de atomi care determina proprietatile suprafluidului si atomi ai heliului normal. Proportia heliului suprafluid creste odata apropierea temperaturii de absolut zero (0 K).

Absenta frecarii se poate explica prin faptul ca acesti atomi nu interactioneaza intre ei, neavand nici energie termica., ceea ce explica fenomenele termice neobisnuite. Conductibilitatea sporita a heliului II este rezultatul existentei atomilor normali ce inmagazineaza energie termica asigurand miscarea fara frecare a atomilor suprafluizi in zone mai calde, unde se transforma in atomi normali. Izotopul stabil de heliu 3 prezinta si el unele din aceste proprietati, dar numai la temperaturi mai scazute de 9,310^-4 K.

Ceea ce se observa este ca in suprafluid bila nu disipa energie miscandu-se prin lichidul care are vascozitatea egala cu zero. Invers, acelasi lichid in miscare nu prezinta frecare la intalnirea unor obstacole.

Proprietatile heliului II se pot explica intr-o anumita masura pe baza efectelor cuantice. Heliul ramane lichid la temperatura absoluta foarte scazuta pentru ca la aceasta temperatura nu poate deveni solid fara cedeze mai putina energie decat este permisa de teoria cuantica. Totodata restrictiile acestei teorii nu permit ca heliu II sa se comporte ca un lichid obisnuit fiindca interactiunile dintre energii asociate cu frecarea si vascozitatea curgerii fluidelor obisnuite implica situatii imposibile pentru heliul II.

Printre ultimele descoperiri este si aceea a legaturii dintre vartejuri si suprafluiditate. Se stie ca vartejurile sunt fenomene interesante in natura studiate chiar din antichitate de vechii greci. Mai interesant este rolul crucial pe care acestea il joaca in faza suprafluida a heliului lichid.

S-a incercat chiar si simularea pe supercalculatoare cu scopul de a arata relatia intre vartej si suprafluid. In aceste simulari nu heliul este cel simulat, ci un sistem de spini magnetici care are proprietatile de miscare foarte semanatoare cu cele ale heliului suprafluid.

La temperatura joasa magnetii interactioneaza si se aliniaza aratand aceeasi directie. Odata cu cresterea temperaturii incepe o dezordonare, dupa care, ajungand la temperatura critica ei nu mai sunt ordonati deloc, aratand directii aleatorii, dupa cum se poate vedea in figura. Aceasta configuratie poate fi asemuita celei unui vartej, exact ca in cazul heliului lichid.

Importanta suprafluiditatii este una deosebit de mare, avand in vedere aplicatiile acesteia in diferite sisteme. Astfel s-a descoperit deja prezenta acesteia in stelele neutronice si este de asteptat ca acestea sa aiba multe consecinte observationale. Atat proprietatile de rotatie cat si cele termice ale stelei vor fi afectate.

In momentul de fata cercetatorii lucreaza la estimarea efectelor fluctuatiilor densitatii de spini, la golurile de energie din materia neutronica. S-a demonstrat ca acestea au efecte dramatice asupra gaurilor negre.

Aceste studii necesita munca si efort urias, dar satisfactiile aduse compenseaza cu mult munca depusa. Problema suprafluiditatii ramane deschisa si datorita faptului ca nu se cunosc foarte multe in acest domeniu se asteapta un interes deosebit indeosebi din partea tinerilor interesati pentru noi studii si cercetari.