Superfluidez

Durante los años 40, L. D. Landau (premio Nobel en 1962) formuló una teoría alternativa para explicar las propiedades del He superfluido basada en el modelo de "los dos fluidos", inicialmente desarrollado por el físico L. Tisha. Este modelo considera que a partir del punto lambda el He empieza a separarse en dos fluidos, uno normal y el otro superfluido. La proporción de estos dos fluidos va variando con la temperatura y se logra así explicar las propiedades notables de este líquido. En 1956 cálculos teóricos basados en la BEC (Penrose y Osanger) y que tienen en cuenta las interacciones entre átomos de He indican que aun a muy bajas temperaturas la proporción del He superfluido no puede resultar mayor a un 8%. En años posteriores esta predicción se verifica experimentalmente mediante experimentos de difracción de neutrones. Otro de los aspectos notables del modelo de los dos fluidos es la predicción de la existencia de una velocidad crítica por arriba de la cual el superfluido pierde sus propiedades transformándose en un líquido normal. Son numerosos los esfuerzos realizados hoy en día con el objeto de observar experimentalmente la existencia de este efecto.

¿Sólo el He II puede ser superfluido?
En general, el resto de los gases nobles a muy bajas temperaturas tiende a solidificarse logrando un mayor orden que en la fase líquida al cristalizar en determinada estructura. El He es el único elemento que no logra solidificarse aun a las temperaturas más cercanas al cero absoluto y a presión atmosférica. Es por ello que podemos observar las consecuencias de la BEC en un líquido, que dan lugar a tan espectaculares propiedades. Dicho sea de paso, un isótopo del He, el 3He también transiciona al estado superfluido (¡a 3 estados superfluidos diferentes!), pero a temperaturas del orden del mK y con características de transición más similares a las que se observan para los superconductores, por tratarse de un sistema fermiónico.

Durante muchas décadas se ha intentado observar la BEC en otro tipo de sistemas, como es el caso de los gases alcalinos (Na, Rb, Li). A mediados de los años 90 esto se convirtió en realidad cuando los físicos E. Cornell y C. Wieman lograron desarrollar un método para confinar átomos en el espacio y bajar su temperatura gradualmente hasta alcanzar valores récord inferiores a los microkelvin (¡a 1 millonésima de grado del cero absoluto!). Podemos imaginarnos a los átomos de rubidio como esferas confinadas en un bol. Por su naturaleza cuántica, se mueven en el bol ocupando valores discretos de energía. Por debajo de una temperatura crítica se pudo observar que la mayor parte de los átomos tendían a ubicarse juntos en el estado de menor energía correspondiente al fondo del bol, mientras que unos pocos se mantenían móviles ocupando la totalidad del volumen del bol. Se observó así un estado consistente con la imagen de la transición de Bose-Einstein, que presenta el interés adicional de que se produce en sistemas de átomos con distinto grado de interacción entre sí, lo que puede modificar las propiedades del condensado, como el valor de la temperatura de transición.

¿Esta temperatura debería aumentar o disminuir al aumentar las interacciones entre los átomos?
Las teorías no se han puesto de acuerdo en este punto, por lo cual estamos delante de una excelente oportunidad de indicar, mediante resultados experimentales, cuál es el camino menos errado para entender cada vez mejor las propiedades de los BEC. Por todo lo mencionado, las investigaciones en el área de la superfluidez y los BEC se mantienen muy activas en la actualidad. La realización de estudios sobre los cambios de estado de vaporización o de solidificación (bajo presión) se pueden realizar particularmente bien a partir del He superfluido, ya que se parte de una fase ordenada, a diferencia de lo que ocurre con otros líquidos, lo que simplifica el análisis y la interpretación de los resultados.

En cuanto a las aplicaciones del He superfluido está principalmente su uso como un líquido criogénico altamente refrigerante. Es empleado en todos los laboratorios donde se generan bajas temperaturas por debajo de 1 ºK, ya que mezclado con 3He permite alcanzar temperaturas de algunos mK. Otra de las aplicaciones más llamativas del He superfluido es su utilización para la realización de experimentos ligados al estudio de temas cosmológicos. En este caso se emplea 3He superfluido a temperaturas del orden de 0.1 mK. Cuando un neutrón impacta sobre un átomo de 3He se produce una fisión del 3He que da a lugar a un protón y a un átomo de tritio, junto con la liberación de energía.

Gracias a la superfluidez, este calentamiento local rápidamente se enfría, dando lugar a la aparición de "defectos" en el 3He, que se manifiestan como remolinos (vórtices) en el interior del líquido. Lo notable es que, desde el punto de vista formal, estos defectos son similares a los que predicen algunas teorías que describen la formación de cuerdas cósmicas cuando luego del big bang el universo se enfrió. Gracias a estas propiedades del 3He superfluido los científicos cuentan ahora con la posibilidad de realizar experimentos en el laboratorio que simulan lo ocurrido luego de la creación de nuestro universo.

En cuanto a los BEC, una de las aplicaciones más prometedoras es la ligada a la realización de un láser de átomos. Cuando los átomos de, por ejemplo, un gas alcalino se encuentra en su estado condensado tienen un comportamiento muy similar al de los fotones de un láser, ya que son indistinguibles y se encuentran en un estado coherente. Si los dejamos escapar lentamente de la trampa donde se condensaron entonces tendremos una emisión de materia con características similares a las observadas para un láser. Las aplicaciones de un láser de átomos pueden llegar a ser insospechadas y sorprendernos ampliamente.