Non devi preoccuparti di una bibita che trabocca spontaneamente dal suo bordo o che spara su e fuori dalla cannuccia da cui stai cercando di bere. Questo perché le bibite non hanno nulla a che vedere con l’elio superfluido mostrato in questo video.
I ricercatori sanno da decenni che se si raffredda l’elio liquido appena qualche grado sotto il suo punto di ebollizione di -452 gradi Fahrenheit (-269 gradi Celsius) sarà improvvisamente in grado di fare cose che altri fluidi non possono, come dribblare attraverso crepe sottili come molecole, salire e superare i lati di un piatto, e rimanere immobile quando il suo contenitore viene fatto girare.
Non più un semplice liquido, l’elio è diventato un superfluido, un liquido che scorre senza attrito. “Se si imposta una tazza con un liquido che circola e si torna 10 minuti dopo, naturalmente ha smesso di muoversi”, dice John Beamish, un fisico sperimentale presso l’Università di Alberta a Edmonton. Gli atomi nel liquido si scontrano tra loro e rallentano. “Ma se lo facessi con l’elio a bassa temperatura e tornassi un milione di anni dopo”, dice, “sarebbe ancora in movimento”.
Come molti altri esperimenti di fisica che ti fanno dire “Huh?” – la superfluidità deriva dalle regole controintuitive della meccanica quantistica. Ma a differenza di altre cose quantistiche, lo strano comportamento dell’elio superfluido è visibile a occhio nudo.
Un primo segno dello strano comportamento dell’elio fu osservato nel 1911 dal fisico olandese e premio Nobel per la fisica 1913 Heike Kamerlingh Onnes, un maestro della refrigerazione che fu il primo a liquefare l’elio. Onnes scoprì che l’elio (tecnicamente, l’isotopo 4 dell’elio) cominciava a condurre prontamente il calore sotto i -455,67 gradi F (-270,92 gradi C), noto anche come punto lambda.
Non fu prima del 1938 che il fisico russo Pyotr Kapitsa e, indipendentemente, il duo britannico di John Allen e Don Misener misurarono la portata dell’elio sotto quella temperatura attraverso una coppia di dischi di vetro attaccati rispettivamente a uno stantuffo e un lungo e sottile tubo di vetro. La viscosità era così bassa che Kapitsa, che vinse il suo premio Nobel per il lavoro, coniò il termine “superfluido” per descriverlo – dopo “superconduttore”, il termine per un materiale che conduce correnti elettriche molto alte senza resistenza.
La chiave dell’effetto è la capacità unica dell’elio di rimanere liquido fino allo zero assoluto (-459,67 gradi F, o -273,15 gradi C), la temperatura alla quale gli atomi teoricamente smettono di muoversi. Quando la maggior parte dei liquidi viene raffreddata, la leggera attrazione tra gli atomi nel fluido comincia finalmente a superare le vibrazioni del calore, e le particelle si stabiliscono in un ordine regolare, cioè un solido. Ma gli atomi di elio sono così leggeri e debolmente attratti l’uno dall’altro che anche quando i moti atomici ordinari si sono placati, gli atomi si agitano con un moto del punto zero, un leggero slancio impartito dal principio di indeterminazione quantistica. La liquidità dell’elio a basse temperature gli permette di effettuare una trasformazione chiamata condensazione di Bose-Einstein, in cui le particelle individuali si sovrappongono fino a comportarsi come una sola grande particella. Gli atomi che agiscono all’unisono non si comportano come atomi individuali. “Se marciano all’unisono, non si scontrano tra loro”, dice Moses Chan, che studia la superfluidità alla Pennsylvania State University di University Park.
I ricercatori amano pensare all’elio superfluido come a una miscela di due fluidi, uno normale e uno superfluido. Diversi esperimenti mettono in evidenza i caratteri contrastanti delle due frazioni. L'”esperimento” più semplice consiste nell’osservare un contenitore pieno di elio liquido che improvvisamente perde quando viene raffreddato al di sotto del punto lambda e la frazione superfluida senza attrito comincia a colare attraverso fessure microscopiche in cui la frazione liquida normale non può entrare. (“Super-perdite” sono state la rovina degli scienziati che lavorano con l’elio liquido fin dai primi giorni, dice Beamish). Ma mescolate lo stesso elio come un caffè e la frazione liquida normale resisterà al movimento, imprimendo viscosità alla miscela superfluida, dopo tutto.
Come la temperatura scende, la frazione superfluida occupa una quota maggiore della miscela. Nell’esperimento standard del campo, i ricercatori misurano il rapporto tra le due frazioni mettendo un campione in un contenitore metallico cilindrico sospeso da un filo. Quando imprimono una torsione al filo, il cilindro ruoterà in un modo e poi nell’altro. Ma solo la frazione normale ruoterà con il cilindro, a causa dell’attrito tra essa e le pareti del cilindro; la porzione superfluida taglia proprio attraverso il fluido normale e rimane ferma. Man mano che la frazione superfluida aumenta, il cilindro ruota più velocemente, come se il cilindro perdesse peso (tecnicamente, inerzia).
La doppia natura dell’elio superfluido è di nuovo all’opera quando si arrampica sulle pareti di un contenitore. (Qualsiasi liquido ricoprirà i lati di un piatto in cui è seduto – ancora una volta grazie alla leggera attrazione tra gli atomi – ma l’attrito interno del liquido limita la diffusione del rivestimento. Nell’elio superfluido, la pellicola senza attrito scivola sull’intero contenitore, creando una sorta di arena attraverso la quale il superfluido può scorrere. Se il liquido ha un posto dove cadere dopo essere uscito dal piatto, gocciolerà dal fondo del contenitore fino a travasare tutto il superfluido accumulato sopra di esso.
Lo stesso principio è alla base di un’altra famosa dimostrazione in cui il superfluido spara rapidamente fuori da un tubo di vetro aperto e riscaldato, riempito di polvere fine sul fondo. Chiamata fontana di superfluido, si verifica perché il superfluido all’esterno del tubo si precipita a raffreddare il superfluido che è stato riscaldato dall’interno del tubo. (Allen, il co-scopritore della superfluidità, si dice che abbia scoperto l’effetto dopo aver fatto brillare una torcia tascabile su un tubo di vetro di elio liquido.)
Il lavoro sull’elio superfluido ha già ottenuto tre premi Nobel e potrebbe ancora ottenerne altri. Nel 2004 Chan e Eun-Seong Kim della Penn State hanno fatto ruotare un anello pieno di elio solido a 26 atmosfere di pressione e hanno scoperto che raffreddando l’elio sotto la temperatura critica, la frequenza di rotazione aumentava, proprio come accade con l’elio liquido. Una mezza dozzina di laboratori, tra cui quello di Beamish, stanno studiando l’effetto “supersolido”, ma i ricercatori non sono ancora sicuri di quali elementi del solido si condenserebbero in un singolo stato di Bose-Einstein.
Il trucco ora è vedere se il supersolido può produrre l’equivalente di super-perdite o altri super-effetti ben noti. “Se altre proprietà uniche possono essere dimostrate in modo convincente”, dice Beamish, “tutti sarebbero d’accordo che si tratta di una nuova fase della materia”.
