Superfluidez

El He es un gas noble con propiedades fuera de lo común. Es el producto de la fusión del hidrógeno, por lo cual se lo encuentra masivamente en el Sol y, junto con otros gases, en algunos pozos de petróleo, aquí en la Tierra. Su núcleo está conformado por dos protones y dos neutrones y por dos electrones su capa electrónica. A presión ambiente se licúa a una temperatura de 4.2 ºK (-269 ºC).
Fueron justamente las propiedades del He en su estado líquido las que atraparon gran parte del interés de los científicos entre los años 1927 y 1946. Efectivamente, en 1927, el físico holandés W. H. Keeson encontró que el He líquido mostraba un pico en el calor específico cuando alcanzaba una temperatura de 2.17 K, signo de la presencia de una transición de fase.

Como la curva del calor específico como función de la temperatura tenía la forma de la letra griega lambda, a esta transición se la conoce como el punto lambda (Tλ).

Lo notable es que las propiedades del He líquido a temperaturas menores a Tλ son bien distintas de las que tiene a temperaturas mayores. Por debajo de los 2.17 ºK el He deja de comportarse como un líquido clásico conformado por átomos livianos para pasar a mostrar propiedades directamente ligadas a la mecánica cuántica. En este rango de temperaturas el He muestra una conducción del calor enormemente alta (200 veces mayor que la que presenta el Cu a temperatura ambiente). Junto con otros físicos, P. Kapitza también observó en 1938 que desaparece su viscosidad, por lo que puede fluir por poros microscópicos o subir por las paredes del recipiente que lo contiene hasta vaciarlo apreciablemente. Fue entonces este físico ruso (premio Nobel en 1972) quien lo calificó de superfluido. En el proceso de enfriamiento del He desde los 4 ºK se observa la aparición de burbujas ligadas a la ebullición del líquido. Cuando se alcanza el punto lambda, toda muestra de ebullición cesa y se obtiene un líquido sumamente calmo. Fue el físico F. London quien en 1938 ligó por primera vez estas propiedades remarcables con la naturaleza cuántica de la materia.

London tuvo la intuición de asociar lo que ocurría en el punto lambda con la condensación de la materia en un nuevo estado, conocido como condensación de Bose-Einstein (BEC).

¿De qué se trata esta condensación?
En la mecánica cuántica, que describe la física de las partículas propias de la escala atómica, no se habla más de la posición de una partícula sino de su función de onda, cuyo módulo al cuadrado representa la probabilidad de encontrarla en determinado lugar del espacio. Así, como ocurre con las cuerdas de una guitarra, que pueden oscilar sólo con determinada forma de onda y únicamente a frecuencias específicas (notas) correspondientes a la fundamental y a sus múltiplos enteros (los armónicos superiores), las partículas cuánticas confinadas en alguna región del espacio sólo pueden tener una determinada función de onda correspondiente a ciertos estados discretos de energía.

En el año 1924 el físico S. N. Bose, y posteriormente A. Einstein, realizaron un estudio estadístico sobre el comportamiento de un gas de partículas indistinguibles.

Digamos de paso que en mecánica cuántica existen dos conjuntos de partículas: las que, al ser indistinguibles, pueden ocupar el mismo estado cuántico (llamadas bosones) y las que, teniendo en cuenta el principio de exclusión de Pauli, no pueden ocuparlo (llamadas fermiones). Los fotones (o cuantos de luz) son bosones, mientras que los electrones, protones o neutrones son fermiones.

Einstein mostró que por debajo de una cierta temperatura, el gas de bosones se condensa, implicando por ello que todas las partículas pasan a ocupar el estado de menor energía correspondiente al estado fundamental. No se trata por ejemplo de un cambio de densidad ni un ordenamiento espacial. Esto representa un cambio de fase a un nuevo estado de la materia, correspondiente a un condensado de Bose-Einstein (BEC). Se trata de un estado más ordenado, cuyo orden no se produce espacialmente sino en el espacio de las velocidades. En definitiva, en la transición de Bose-Einstein pasamos de tener un conjunto de partículas que se comportan individualmente, moviéndose a distintas velocidades, a tener un condensado de partículas, cuyo movimiento pasa a ser colectivo y ordenado frente a excitaciones externas.

La propuesta de F. London consistía entonces en considerar el carácter bosónico del He, asociando la transición del punto lambda como una manifestación de una transición del tipo BEC. De esta manera, la superfluidez del He y el resto de sus propiedades tan particulares derivan de las manifestaciones del estado cuántico macroscópico que adoptan sus átomos al estar todos en el mismo estado de energía fundamental.