La superfluidità

Ciao! Oggi parliamo della superfluidità, uno stato della materia molto particolare. Nelle pillole della settimana parliamo invece della scoperta di un nuovo tipo di semiconduttore, del telescopio spaziale Kepler e di un mistero astronomico finalmente risolto.

Di cosa parliamo oggi
– la viscosità e i superfluidi
– l’elio liquido
– pillole della settimana

La viscosità e i superfluidi
Tutti le sostanze fluide, come ad esempio i liquidi o i gas, hanno una certa viscosità. La viscosità è un grandezza fisica che rappresenta la resistenza del fluido allo scorrimento. Insomma, più un fluido è viscoso, più fa fatica a scorrere. L’olio, ad esempio, è un fluido più viscoso dell’acqua, che a sua volta, è più viscosa dell’aria.
La viscosità non cambia solo in base al fluido che considerate, ma anche in base alla sua temperatura. Generalmente i liquidi, man mano che aumenta la temperatura, diminuiscono la loro viscosità, mentre per i gas accade il contrario.
Esistono però alcune sostanze che, a certe temperature, si comportano come se non avessero viscosità: sono i cosiddetti superfluidi.

L’elio liquido
Un esempio di superfluido è l’elio liquido. L’elio ce l’avete presente, no? È quel gas che mettiamo nei palloncini e che quando lo respiriamo fa venire una vocina da paperino.

Il motivo per cui siamo abituati a vedere l’elio sempre come un gas e mai come liquido, è che il suo punto di ebollizione è molto basso. Il punto di ebollizione è la temperatura alla quale una sostanza passa dallo stato liquido a quello gassoso e viceversa – ossia la temperatura alla quale bolle. Mentre l’acqua, in condizioni normali di pressione (1 atmosfera), bolle a 100°C, l’elio bolle a circa -269°C, che è una temperatura bassissima e difficile da raggiungere. Considerate che la temperatura più bassa raggiungibile, lo zero assoluto, equivale a -273,15°C.
Il primo che riuscì a creare l’elio liquido, portandolo a temperature così basse, fu il fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes. Era il 1908 e tutto quello che si sapeva sui fluidi veniva dalla fisica classica di Newton. Negli anni seguenti ci si accorse però che l’elio liquido non si comportava come gli altri fluidi – i cosiddetti fluidi newtoniani: al di sotto di una certa temperatura, aveva delle proprietà spettacolari e inaspettate.

Viscosità
Sotto i -271°C l’elio liquido smette di comportarsi come un fluido normale. Questa transizione di fase è segnalata da un comportamento molto strano: le bolle dell’elio, che ha da pochissimo superato il suo punto di ebollizione, scompaiono improvvisamente e la sua superficie diventa di colpo piatta, come si vede in questa animazione.

Studiando l’elio dopo questa transizione di fase, ci si accorge che la sua viscosità è pari a zero e che si comporta come un fluido irrotazionale – ossia non si possono formare vortici e mulinelli (nota per gli esperti: in realtà si possono formare dei vortici quantistici, ma oggi non ne parlo). È diventato un superfluido.
Una delle dimostrazioni più efficaci del suo comportamento superfluido è la seguente: si prende un bicchiere con dei piccolissimi forellini e lo si riempie di elio liquido. A causa della viscosità, l’elio non riesce a uscire dai forellini. Appena l’elio diventa superfluido, ecco cosa succede (occhio alle goccioline).

Il film flow
Un altro comportamento stranissimo dell’elio superfluido è il cosiddetto film flow. Se immergiamo un oggetto nell’elio, questo lo ricopre con un film sottilissimo, una pellicola di liquido dello spessore di qualche atomo dentro la quale può scorrere l’elio stesso.
Per questo motivo, se prendiamo un contenitore bagnato di elio e lo immergiamo parzialmente nel liquido – senza però farlo affondare – comincia a riempirsi. Se poi lo solleviamo senza rovesciarlo, l’elio risale le sue pareti sconfiggendo la gravità e il contenitore si svuota da solo. Come? Così:

Trasmissione del calore
Tutti i materiali conducono calore. Alcuni sono più conduttivi e lo traferiscono velocemente da un punto a un altro, come i metalli ad esempio. Altri invece sono più isolanti e lo conducono lentamente, come il legno o la gomma. La grandezza fisica che indica la capacità di una sostanza di trasferire il calore si chiama conducibilità termica. Più la conducibilità è grande, più velocemente la sostanza trasferisce calore da un punto a un altro. Ecco, l’elio superfluido ha una conducibilità infinita. Questo significa che non è possibile che due parti del superfluido abbiano temperatura diversa, perché il calore si trasferisce istantaneamente, bilanciando le temperature. Questo è il motivo per cui, al di sotto di -271°C, le bolle spariscono di colpo: le bolle sono zone in cui il liquido è più caldo. Quando l’elio diventa superfluido, le temperature si riequilibrano e le parti più calde si raffreddano istantaneamente.L’effetto fontana
L’effetto fontana, detto anche effetto termomeccanico, è un fenomeno molto spettacolare. Immaginate di prendere un tubicino contenente polvere abrasiva e di immergere una sua estremità nell’elio superfluido. Riscaldando la polvere abrasiva, l’elio risale il tubicino per riequilibrare la temperatura, creando un getto di superfluido.
Perché c’è la superfluidità?
Il comportamento superfluido di alcune sostanze si può spiegare solo tramite le leggi della Meccanica quantistica. Purtroppo non possiamo entrare nei dettagli, perché servono conoscenze e competenze che richiedono mesi di studio. Magari riusciremo a dire qualcosa in più quando parleremo dei condensati di Bose-Einstein. Anche se non sono la stessa cosa, i due fenomeni sono imparentati in vari modi.

Pillole della settimana
Qualche notizia di questa settimana, in breve.

Scoperto un nuovo semiconduttore ferromagnetico
Degli scienziati giapponesi e vietnamiti hanno prodotto un semiconduttore ferromagnetico a temperatura ambiente utilizzando dell’antimonio dopato con atomi di ferro e gallio. I semiconduttori ferromagnetici sono importanti in elettronica perché sono facili da manipolare per trasferire e memorizzare i dati. Tuttavia hanno un limite: il loro ferromagnetismo si mantiene solo a temperature ben al di sotto dello zero. Se veramente si riuscirà ad utilizzare questo nuovo materiale a temperatura ambiente, ci potrebbero essere importanti ricadute in elettronica e in informatica.

La Red Dragon è tornata
La capsula Red Dragon di SpaceX è tornata a terra sana e salva dopo aver rifornito la ISS. Qui la foto.

Kepler trova cose
Il telescopio spaziale Kepler, in orbita dal 2009, ha scovato 1284 nuovi pianeti nella Via Lattea. Tra i nuovi pianeti scoperti, più di 500 sembrano essere rocciosi e nove di questi sono potenzialmente abitabili.

150-kilometer echoes
Gli scienziati hanno finalmente capito, dopo cinquant’anni, l’origine del fenomeno “150-kilometer echoes”. I segnali radar inviati nello spazio vengono infatti riflessi verso terra come se a 150 km di altezza ci fosse una specie di specchio che produce degli eco. Verso mezzogiorno questo immaginario specchio scende fino a 30 km di altezza, mentre di notte sparisce. L’effetto specchio è dovuto a delle vibrazioni degli ioni presenti nell’atmosfera, prodotte dalle interazioni tra gli ioni, le molecole e i fotoni provenienti dal Sole.

LHC riparte
È ripartito l’acceleratore LHC del CERN (cos’è?). Gli esperimenti di quest’anno raccoglieranno un numero di dati sperimentali sei volte maggiore dell’anno scorso. Non si aspettano grandi risultati scientifici, ma ogni risultato che si discosterà dalle previsioni del Modello standard potrebbe essere l’indicazione dell’esistenza di fenomeni fisici ancora sconosciuti.

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Per approfondire
– Il documentario della BBC da cui ho preso le varie gif
– Un documentario BBC più recente e a colori
– I vortici quantistici in un superfluido (video)