Esiste in natura una sostanza così incredibile ed insolita che, in alcune condizioni, riesce addirittura a non rispettare le leggi che governano il nostro universo. Sottovalutata e per lo più sconosciuta, questa sostanza è considerata poco più di un gioco, dal momento che viene usata anche per riempire i palloncini che volano che tanto piacciono ai bambini e per alterare la voce quando viene respirata.
Parliamo dell’elio, un gas nobile elettricamente neutro e chimicamente inerte. Cosa significa? Significa che quello che tiene insieme gli atomi di elio è una delle forze più incredibili che conosciamo: la cosiddetta forza di Van de Waals. Non è una forza straordinariamente forte ma al contrario è debolissima, ma è l’unica che può unire gli atomi di elio. Perciò, per liquefare l’elio, dobbiamo raffreddarlo a temperature estremamente basse in modo che le forze di Van de Waals possano superare l’energia degli atomi in movimento e avvicinarli abbastanza da consentire la liquefazione del gas.
Quasi lo zero assoluto per liquefarlo e 25 atmosfere per solidificarlo
Per liquefare l’elio, dobbiamo abbassare la sua temperatura a 4,2 gradi Kelvin (circa -268,8 gradi Celsius), appena sopra lo zero assoluto. Questo è il punto più freddo teoricamente possibile.
Ma per solidificarlo l’impresa diventa ancora più difficile, poiché a pressioni atmosferiche normali l’elio non può essere solidificato. Solo a pressioni pari o superiori a 25 atmosfere è possibile creare elio solido.
Torniamo però all’elio liquido, quello che si ottiene a temperature vicine a 4,2 gradi Kelvin. In queste condizioni si parla di elio liquido ordinario (elio liquido I) che si comporta in gran parte come qualsiasi liquido normale. Ma, se abbassiamo ancora un po’ la temperatura, entriamo in un mondo magico.
Sotto il punto lamba appare l’incredibile elio II
Al di sotto dei 2,2 gradi Kelvin, una temperatura nota come punto lambda (molto difficile da ottenere), il liquido smette improvvisamente di bollire e diventa stranamente immobile, entrando in una fase completamente nuova, chiamata elio liquido II. Questa fase mostra proprietà esotiche e strabilianti che hanno affascinato e sconcertato gli scienziati per quasi un secolo.
Tanto per avere un’idea di quanto sia strano l’elio II, basta considerare che il motivo per cui il liquido smette di bollire mentre attraversa il punto lambda è dovuta alla sua conduttività termica che aumenta di ben un milione di volte. Infatti, l’elio II è la sostanza termicamente più conduttiva conosciuta dalla scienza, poiché conduce l’energia termica centinaia di migliaia di volte più velocemente dei conduttori solidi più conosciuti come il rame e l’argento.
Il calore che viaggia come un “secondo suono”
Il motivo per cui i liquidi normali bollono è che assorbono il calore prima che possa essere distribuito in tutta la massa liquida, provocando la vaporizzazione del liquido e la formazione di bolle. Nell’elio II, tuttavia, il calore viene ridistribuito quasi istantaneamente in tutto il liquido, impedendo la vaporizzazione. Ancora più strano, il calore non viaggia attraverso l’elio II tramite la normale convezione, ma piuttosto tramite impulsi ondulatori chiamati solitoni, un fenomeno noto come “secondo suono“.
In un classico esperimento condotto alla fine degli anni ’30, il fisico sovietico Pyotr Kapitsa immerse due resistori elettrici sensibili nell’elio II, distanziati a breve distanza l’uno dall’altro. Un resistore era collegato ad un generatore di segnale e l’altro ad un oscilloscopio, in modo che il primo producesse una serie di impulsi termici regolari mentre l’altro rilevasse eventuali variazioni della temperatura del liquido. Usando questa configurazione, Kapitsa ha scoperto che il secondo resistore poteva rilevare gli impulsi termici fin dai primi millisecondi dopo che erano stati generati, rivelando che il calore viaggia attraverso l’elio II alla velocità del suono.
Un superfluido sconcertante
Ma non pensiate che siano solo queste le stranezze, perché il più strano deve ancora arrivare… Cominciamo con il mettere dell’elio liquido in un bicchiere di vetro con un fondo di ceramica sinterizzata, i cui pori hanno solo pochi micrometri di diametro. A temperature superiori al punto lambda, la viscosità dell’elio I liquido, cioè la sua resistenza al flusso, gli impedisce di fluire attraverso la ceramica. Ma nel momento in cui l’elio viene raffreddato al di sotto del punto lambda, drena improvvisamente attraverso la ceramica come un setaccio. Questo flusso è così veloce che, a tutti gli effetti, l’elio II non ha una viscosità misurabile. È, in altre parole, un superfluido.
Questa proprietà si manifesta in modi ancora più strani, come l’incapacità dell’elio II di essere contenuto in un recipiente con la parte superiore aperta. Se infatti viene riempito un contenitore con elio II, questo salirà sulle pareti interne contro la forza di gravità e colerà dall’altra parte, scorrendo come una pellicola liquida solo per un paio di diametri atomici o angstrom di spessore. Un effetto simile si verifica quando un tubo a forma di U viene riempito con polvere estremamente fine come il rossetto da gioielliere e un’estremità viene immersa in un recipiente di elio II. Il tubo agisce immediatamente come un sifone autoadescante, facendo fuoriuscire tutto l’elio dal recipiente.
Ma questo esperimento sembra in totale contraddizione con un altro. Poniamo un cilindro metallico nell’elio II e facciamolo girare utilizzando un elettromagnete esterno. Posizionata sopra questo cilindro ma non collegato meccanicamente ad esso c’è una leggera ruota a pale. Pochi secondi dopo che il cilindro è stato lanciato, la ruota a pale inizia a girare. Questo movimento è causato dallo strato limite di fluido che aderisce alla superficie del cilindro che trascina altre particelle di fluido adiacenti, provocando un flusso circolare che muove la ruota a pale. Tuttavia, ciò è possibile solo se il fluido ha una certa viscosità. In sintesi, l’elio II mostra una viscosità pari a zero in alcuni esperimenti e una viscosità piccola ma finita in altri. Questa è una delle tante apparenti contraddizioni che rendono l’elio II un superfluido così totalmente sconcertante.
La proprietà più sconvolgente e che viola la Seconda Legge della Termodinamica
E arriviamo adesso alla proprietà di gran lunga più sconvolgente dell’elio II. Prendiamo uno stelo di vetro cavo con una lampadina a estremità aperta piena di rossetto da gioielliere. Quando questo apparato viene immerso nell’elio II e un raggio di luce viene puntato sul bulbo, l’elio liquido schizza fuori dalla parte superiore dello stelo. Anche se a prima vista questo fenomeno noto come “effetto fontana” potrebbe non sembrare così strano, un esame più attento della fisica coinvolta rivela che in realtà dovrebbe essere impossibile. Perché affinché l’elio liquido possa fluire nel bulbo e risalire lungo lo stelo, deve viaggiare spontaneamente da una regione più fredda a una regione più calda, cosa espressamente vietata dalla Seconda Legge della Termodinamica.
Allora, cosa accade davvero? Come diavolo può l’elio II infrangere una delle leggi più fondamentali e accuratamente verificate dell’universo? Questi esperimenti sono in qualche modo difettosi? Le leggi della termodinamica sono davvero sbagliate?
Sembra uno solo, ma sono due
Sebbene la fisica dei superfluidi sia ancora oggetto di ricerche, la migliore teoria che i fisici sono riusciti a elaborare per spiegare questi comportamenti apparentemente contraddittori è che l’elio II non è un solo fluido, ma due. Secondo questo modello, un componente del fluido si comporta più o meno come un normale liquido, mentre l’altro componente, superfluido, non ha viscosità e può fluire spontaneamente dalle regioni fredde a quelle calde.
E come è in grado questo componente di raggiungere questo obiettivo? Semplice: non porta entropia. Sebbene comunemente definita come il grado di disordine o casualità all’interno di un sistema, l’entropia è anche una misura dell’energia, in particolare dell’energia che non può essere utilizzata per svolgere un lavoro utile. La Seconda Legge della Termodinamica afferma che in un sistema chiuso, l’entropia aumenta sempre in proporzione al lavoro svolto dal o al sistema diviso per la temperatura ambiente. Poiché le sostanze più fredde sono più ordinate e quindi contengono meno entropia di quelle più calde, ciò significa che gli atomi o le molecole fluiscono sempre dalle regioni più calde a quelle più fredde e non viceversa. Tuttavia, se l’elio II non trasporta entropia, allora è libero di fluire nella direzione opposta, consentendo la creazione di una pompa che non richiede pompaggio meccanico. Abbastanza semplice…
“Alice nel Paese delle Meraviglie” ovvero la meccanica quantistica
Ma la risposta alla domanda del perché l’elio II si comporta in questo modo ha a che fare con la meccanica quantistica. Descrivendo il comportamento della materia su scala molto piccola, il mondo della meccanica quantistica è più strano e fantastico di qualsiasi cosa Alice nel Paese delle Meraviglie avrebbe mai potuto trovare nella tana del coniglio. È un mondo in cui le leggi della causalità lasciano il posto alle leggi della probabilità, dove le particelle possono trovarsi in più posti contemporaneamente, comunicare tra loro istantaneamente da lati opposti dell’universo e persino cambiare le loro proprietà a seconda che siano o meno osservate.
Normalmente, questi strani effetti sono osservabili solo su scala atomica e a livello di particelle subatomiche, ma nell’elio II superfluido diventano visibili su scale molto più grandi, spiegando perché questa sostanza si comporta in modo così diverso dalla maggior parte della materia ordinaria. In effetti, il motivo per cui l’elio II mostra una superfluidità e una conduttività termica quasi infinita è perché, a differenza dei fluidi normali, gli atomi dell’elio II occupano tutti lo stesso stato quantico, consentendo loro di agire come un’unica grande funzione d’onda. Per spiegare esattamente cosa significa ci vorrebbero diversi libri da studiare, ma per fortuna, il fisico Wolfgang Ketterle ha escogitato una bella analogia: “Supponiamo che tu vada in uno spazio affollato e le persone camminino in modo un po’ casuale, scontrandosi l’una con l’altra, producendo molto attrito. E se vuoi attraversare la strada e ci sono molte, molte persone per strada, può volerci un’eternità. Ma ora immaginate che tutte le persone stiano marciando a passo serrato. Se tutte le persone marciano a passo serrato, non ci sono attriti, non ci sono più gomitate e tutte le persone possono attraversare velocemente la strada perché camminano tutte insieme”.
La chiave per comprendere i superfluidi: lo spin
La meccanica quantistica spiega anche perché alcuni tipi di elio sono più facili da trasformare in superfluidi rispetto ad altri. L’isotopo più comune dell’elio è l’elio-4, il cui nucleo ha due protoni e due neutroni. Questo è il tipo di elio che diventa un superfluido a 2,2 gradi Kelvin. Al contrario, il molto più raro elio-3, che ha un neutrone in meno, diventa un superfluido solo a temperature di millikelvin, cioè pochi millesimi di grado sopra lo zero assoluto. La ragione ha a che fare con una proprietà delle particelle chiamata spin e con una legge della meccanica quantistica chiamata Principio di esclusione di Pauli.
Sebbene spesso descritto come il momento angolare di una particella, in realtà lo spin è una proprietà puramente quantistica senza controparte diretta nella meccanica classica e il suo nome deriva da una delle prime teorie, poi smentita, secondo cui le particelle ruotavano letteralmente attorno ai propri assi. Un buon modo per comprendere lo spin è la simmetria rotazionale di una particella, ovvero il numero di volte che deve essere ruotata per tornare al suo stato originale. Questo è dato dal suo numero quantico di spin, che può essere un numero intero o una frazione positiva o negativa. Ad esempio, una particella con spin 0 è identica in qualsiasi orientamento, una particella con spin 1 deve essere ruotata una volta o di 360 gradi per tornare al suo stato originale e una particella con spin 1/2 deve essere ruotata due volte o di 720 gradi.
Secondo il Modello Standard della Fisica, tutta la materia dell’universo è divisa in due tipi di particelle: fermioni, che hanno spin frazionari come 1/2, 3/2 e così via, e bosoni, che hanno spin interi come 0,1,2 ecc. Inoltre, secondo il Principio di esclusione di Pauli, due fermioni non possono occupare lo stesso stato quantistico all’interno dello stesso sistema quantistico. Poiché l’elio-4 è un bosone con spin pari a 0, è esente da questa regola e forma un superfluido in cui tutti i suoi atomi condividono lo stesso stato quantico. L’elio-3, al contrario, è un fermione con rotazione 1/2 e non può essere trasformato in un superfluido alle stesse temperature. A temperature di millikelvin, tuttavia, le coppie di elio-3 si combinano a due a due per formare le cosiddette coppie di Cooper, che agiscono come bosoni e possono diventare superfluidi. Tutto limpido e chiaro? Proviamo a tirare delle conclusioni…
Molto vicini al Sacro Graal dell’elettronica
Oltre ad essere una dimostrazione su macroscala delle stranezze quantistiche, i superfluidi come l’elio II hanno qualche applicazione pratica? Ebbene no, non ancora…
Tuttavia, la fisica dei superfluidi è direttamente applicabile ad un altro insolito fenomeno a bassa temperatura: la superconduttività. A temperature inferiori a 30 gradi Kelvin, molti materiali perdono improvvisamente ogni resistenza al flusso elettrico, il che significa che la corrente elettrica stabilita all’interno di detti materiali continuerebbe a circolare per sempre senza perdite finché viene mantenuta la temperatura critica. I superconduttori respingono anche i campi magnetici, il che significa che i magneti levitano sopra di loro. Questo effetto è già ampiamente sfruttato nei magneti superconduttori ad alta potenza come quelli delle macchine per la risonanza magnetica, l’applicazione principale dell’elio liquido.
Purtroppo, un uso su vasta scala dei superconduttori è ostacolato dalle temperature ultra basse necessarie per ottenere questo effetto, con anche i cosiddetti superconduttori ad alta temperatura, che hanno temperature critiche intorno ai 90 gradi Kelvin. È qui che entra in gioco lo studio dei superfluidi, poiché secondo una teoria del 1957 di John Bardeen, Leon Cooper e John Schrieffer, il flusso di corrente attraverso un superconduttore può essere pensato come un superfluido composto da coppie di elettroni di Cooper.
Perciò, lo studio della superfluidità potrebbe un giorno svelare il segreto del Santo Graal dell’ingegneria elettronica: superconduttori a temperatura ambiente, che consentirebbero la trasmissione e l’immagazzinamento elettrico ultra-efficiente e centinaia di altre tecnologie rivoluzionarie. Quindi l’elio II non è semplicemente la sostanza più strana conosciuta dalla scienza, ma quella che un giorno potrebbe cambiare il corso della civiltà umana.
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