No tienes que preocuparte de que un refresco desborde espontáneamente su borde o salga disparado de la pajita de la que intentas beber. Eso es porque los refrescos no se parecen en nada al helio superfluido que se muestra en este vídeo.
Los investigadores saben desde hace décadas que si se enfría el helio líquido unos pocos grados por debajo de su punto de ebullición de -452 grados Fahrenheit (-269 grados Celsius), de repente será capaz de hacer cosas que otros fluidos no pueden, como escurrirse a través de grietas muy finas, trepar por los lados de un plato y permanecer inmóvil cuando se hace girar su recipiente.
El helio ha dejado de ser un simple líquido para convertirse en un superfluido, un líquido que fluye sin fricción. «Si pones un vaso con un líquido circulando y vuelves 10 minutos después, por supuesto que ha dejado de moverse», dice John Beamish, físico experimental de la Universidad de Alberta en Edmonton. Los átomos del líquido chocan entre sí y se ralentizan. «Pero si se hiciera eso con el helio a baja temperatura y se volviera un millón de años más tarde», dice, «seguiría moviéndose».
Al igual que muchos otros experimentos de física que te hacen decir «¿Eh?», la superfluidez surge de las reglas contraintuitivas de la mecánica cuántica. Pero a diferencia de otras cosas cuánticas, el extraño comportamiento del helio superfluido es visible a simple vista.
Una de las primeras señales del extraño comportamiento del helio fue observada en 1911 por la física holandesa y premio Nobel de Física de 1913 Heike Kamerlingh Onnes, una maestra de la refrigeración que fue la primera en licuar el helio. Onnes descubrió que el helio (técnicamente, el isótopo helio 4) empezaba a conducir fácilmente el calor por debajo de los -455,67 grados F (-270,92 grados C), también conocido como punto lambda.
No fue hasta 1938 cuando el físico ruso Pyotr Kapitsa y, de forma independiente, el dúo británico formado por John Allen y Don Misener midieron la velocidad de flujo del helio por debajo de esa temperatura a través de un par de discos de vidrio unidos a un émbolo y a un tubo de vidrio largo y delgado, respectivamente. La viscosidad era tan baja que Kapitsa, que ganó su propio Premio Nobel por el trabajo, acuñó el término «superfluido» para describirlo, después de «superconductor», el término para un material que conduce corrientes eléctricas muy altas sin resistencia.
La clave del efecto es la capacidad única del helio de permanecer líquido hasta el cero absoluto (-459,67 grados F, o -273,15 grados C), la temperatura a la que los átomos teóricamente dejan de moverse. Cuando la mayoría de los líquidos se enfrían, la ligera atracción entre los átomos del fluido empieza a superar finalmente las vibraciones del calor, y las partículas se asientan en un orden regular, es decir, un sólido. Pero los átomos de helio son tan ligeros y se atraen tan débilmente entre sí que, incluso cuando los movimientos atómicos ordinarios se han calmado, los átomos se agitan con un movimiento de punto cero, un ligero impulso impartido por el principio de incertidumbre cuántica. De ahí que nunca se asienten en el estado sólido.
La liquidez del helio a bajas temperaturas le permite llevar a cabo una transformación llamada condensación de Bose-Einstein, en la que las partículas individuales se superponen hasta comportarse como una gran partícula. Los átomos que actúan al unísono no se comportan como átomos individuales. «Si marchan al unísono, no chocan entre sí», dice Moses Chan, que estudia la superfluidez en la Universidad Estatal de Pensilvania, en University Park.
A los investigadores les gusta pensar en el helio superfluido como una mezcla de dos fluidos, uno normal y otro superfluido. Diferentes experimentos ponen de manifiesto los caracteres contrastados de las dos fracciones. El «experimento» más sencillo consiste en observar cómo un recipiente lleno de helio líquido sufre una fuga repentina al enfriarse por debajo del punto lambda y la fracción superfluida sin fricción comienza a verterse a través de grietas microscópicas por las que no puede entrar la fracción líquida normal. («Las superfugas» han sido la perdición de los científicos que trabajan con helio líquido desde los primeros días, dice Beamish). Pero si se agita el mismo helio como si fuera café, la fracción líquida normal resistirá el movimiento, impartiendo viscosidad a la mezcla superfluida, después de todo.
A medida que la temperatura desciende, la fracción superfluida ocupa una mayor parte de la mezcla. En el experimento estándar del campo, los investigadores miden la proporción de las dos fracciones colocando una muestra en un recipiente metálico cilíndrico suspendido por un cable. Cuando imparten un giro al cable, el cilindro girará en un sentido y luego en el otro. Pero sólo la fracción normal girará con el cilindro, debido a la fricción entre ésta y las paredes del cilindro; la parte superfluida atraviesa el fluido normal y permanece inmóvil. A medida que la fracción superfluida aumenta, el cilindro gira más rápido, como si el cilindro perdiera peso (técnicamente, inercia).
La doble naturaleza del helio superfluido vuelve a funcionar cuando sube por las paredes de un recipiente. (Vea este vídeo de YouTube sobre el efecto.) Cualquier líquido recubrirá las paredes de un recipiente en el que se asiente -gracias, de nuevo, a la ligera atracción entre átomos-, pero la fricción interna del líquido limita la extensión del recubrimiento. En el helio superfluido, la película sin fricción se desliza por todo el recipiente, creando una especie de arena por la que puede fluir el superfluido. Si el líquido tiene algún lugar donde caer después de salir del plato, goteará desde el fondo del recipiente hasta sifonar todo el superfluido acumulado por encima de él.
El mismo principio subyace en otra famosa demostración en la que el superfluido sale disparado rápidamente de un tubo de vidrio abierto y calentado, lleno de polvo fino en el fondo. Denominada fuente de superfluido, se produce porque el superfluido del exterior del tubo se precipita para enfriar el superfluido que se ha calentado en el interior del tubo. (Se dice que Allen, el codescubridor de la superfluidez, descubrió el efecto tras iluminar con una linterna de bolsillo un tubo de cristal con helio líquido). En 2004, Chan y Eun-Seong Kim, de la Universidad de Pensilvania, hicieron girar un anillo lleno de helio sólido a 26 atmósferas de presión y descubrieron que, al enfriar el helio por debajo de la temperatura crítica, la frecuencia de rotación aumentaba, al igual que ocurre con el helio líquido. Media docena de laboratorios, incluido el de Beamish, están estudiando el efecto «supersólido», pero los investigadores aún no están seguros de qué elementos del sólido se condensarían en un único estado de Bose-Einstein.
El truco ahora es ver si el supersólido puede producir el equivalente a las superfugas u otros superefectos conocidos. «Si se pueden demostrar de forma convincente otras propiedades únicas», dice Beamish, «todo el mundo estaría de acuerdo en que se trata de una nueva fase de la materia».
