Le temperature
incredibilmente alte dei primi istanti di vita dell'universo non potranno
probabilmente essere mai raggiunte, neppure con i più grandi acceleratori di
particelle. Ma i fisici delle basse temperature hanno già da tempo superato la
natura. Nei 15 miliardi di anni trascorsi dal big bang, nessun punto, in tutto
l'universo, ha raggiunto temperature inferiori a 3 kelvin (la temperatura del
fondo cosmico a microonde), mentre in laboratorio si ottengono temperature
dell'ordine dei nanokelvin e dei picokelvin. I fenomeni studiati in queste
condizioni non solo sono nuovi per la fisica, ma non si sono mai verificati
tutta la storia dell'universo. Di tutti i fenomeni insoliti che danno luogo a
temperature ultrabasse forse di più spettacolari sono la superfluità - ossia il
flusso privo di attriti di un liquido - e il suo analogo in elettronica, la
superconduttività. La super fluidità dell'elio 4 (l'isotopo più comune di questo
elemento) è nota dal 1938. Nel 1972 Douglas D. Osheroff, Robert C. Richardson e
David M. Lee della Cornell University scoprirono che anche l'elio 3 può
diventare superfluido. Da circa 15 anni lo studio della super fluidità è di
interesse centrale nella fisica delle temperature ultrabasse. Comportamento
dell'elio 3 su per fluido può essere molto complesso, pur trattandosi di un
liquido semplice, composto da atomi identici e chimicamente inerti di un gas
nobile. Oltre a essere di per sé interessante, questa combinazione di semplice e
più complesso rende l'elio 3 su per fluido una sostanza ideale per lo studio di
molti problemi relativi alle fasi condensate della materia, dalle proprietà
delle stelle di neutroni a quelle dei superconduttori ad alta temperatura. A
bassa temperatura dell'elio è un <<liquido quantistico>>, ossia la meccanica
quantistica influisce profondamente non solo sulle proprietà microscopiche, ma
anche su quelle macroscopiche. La natura superfluida dell'elio è un compromesso
fra la meccanica quantistica, che impone un'indeterminazione minima fondamentale
al comportamento dei singoli atomi, e il terzo principio della termodinamica,
secondo cui in una sostanza deve instaurarsi d'ordine perfetto con
l'approssimarsi allo zero assoluto. Ad alte temperature e la fase dominante è
quella gassosa e gli atomi hanno moti casuali; al diminuire della temperatura si
ha liquefazione e successivamente congelamento in fase solida, la fase in cui la
posizione di ogni atomo dovrebbe essere fissata univocamente. Da un punto di
vista quantistico, il principio di indeterminazione di
Heisenberg afferma che non è possibile precisare
simultaneamente la quantità di moto e la posizione di una particella; misurando
la prima si produce indeterminazione nell'altra. Poiché gli atomi di elio sono
molto leggeri e interagiscono debolmente, le loro posizioni sono indeterminate
anche allo zero assoluto., non possono essere tenuti immobili abbastanza lungo
da formare un solido a bassa pressione perché la loro energia cinetica di punto
zero è rilevante. Il risultato abbastanza paradossale: l'elio superfluido rimane
liquido anche le temperature più basse, ma al contrario dei liquidi comuni, in
cui lo scorrimento fluido è segno di disordine interno, esso ha un ordine
interno perfetto, anche se non evidente.  Il particolare ordinamento che si verifica nell'elio liquido è una
conseguenza della distinzione stabilita in meccanica quantistica fra i
fermioni (così chiamati in onore di Enrico Fermi) e i bosoni (che prendono il
nome da Satyendra Nath Bose). Fra i bosoni vi sono le particelle portatrici di
forze, come i fotoni e i pioni. Il loro spin è un multiplo intero per quanto
fondamentale del momento angolare, h, che è pari alla costante di
Plank divisa per due volte pi greco
. Un numero qualsiasi di bosoni può occupare simultaneamente lo stesso Stato
quantico, per cui allo zero assoluto tutti i bosoni di un dato sistema possono
condensare nello stesso stato quantico di minima energia. Le particelle che
hanno spin uguale a un multiplo semiintero (1/2, 3/2 e così via)
di
h, come gli elettroni, i protoni e i neutroni, sono
fermioni, le particelle da cui è costituita la materia. In ogni momento un solo
fermioni può occupare un particolare Stato quantico, il che esclude la
possibilità che tutte le particelle condensino in un singolo Stato di minima
energia. Un atomo di elio 4 è costituito da due elettroni, due protoni e i due
neutroni, con spin semiintero, per cui l'atomo nel suo complesso è un borsone.
Quando l'elio 4 è raffreddato al di sotto di una temperatura critica, il punto
lambda parentesi 2,17 kelvin a pressione nulla), il liquido inizia condensare
nello stato di minima energia. A temperature estremamente basse quasi tutti i
liquido si trova in questo stato, e quindi un'unica funzione d'onda quantistica
e descrive non solo il comportamento delle singole particelle, ma anche quello
del liquido a livello macroscopico. Oltre a ciò, occorrono parecchia energia
quantità di moto per portare il liquido in uno stato eccitato. È questa
condizione che genera la super fluidità. In una fluido normale le collisioni fra
atomo o fra questi e le pareti del contenitore possono facilmente portare un
atomo da uno stato energetico a un altro di energia quasi uguale e dissipare
così il flusso di un fluido. L'elio liquido lo stato fondamentale, tuttavia, non
può passare da uno stato energetico a un altro in seguito a collisioni a bassa
velocità. Non vi sono meccanismi che dissipino energia. La super fluidità
nell'elio 3 è di natura abbastanza diversa. Gli atomi di questo isotopo, che
contengono un numero dispari di neutroni e quindi il numero totale dispari di
particelle, sono fermioni e pertanto non sono in grado di condensare in un unico
stato fondamentale. La conseguenza di ciò è che l'elio3 non può divenire su per
fluido con la stessa facilità del isotopo bosonico. Tuttavia, a una temperatura
di transizione circa 1000 volte più bassa di quella dell'elio4, comincia a
manifestarsi fra gli atomi di elio3 una debole attrazione. Gli atomi la cui
quantità di moto e uguale e opposta tendono a formare coppie nelle quali le due
particelle orbitano a distanza l'una intorno all'altra. Queste coppie (chiamate coppie di Cooper dal nome di
Leon N. Cooper, che propose un analogo accoppiamento di elettroni per spiegare
la superconduttività) sono bosoni, dato che loro spin semiinteri si sommano
fornendo un valore interno, e quindi possono condensare in un unico stato
fondamentale e formare un superfluido. In realtà si formano due super fluidi,
denominati 3He-A e 3He-B. Nella fase A gli spin nucleari dei due atomi tendono a
giacere in un piano perpendicolare all'asse del moto orbitale, mentre nella fase
B La correlazione è meno evidente. Dato che tutte le copie di elio 3 si trovano
nello stesso Stato quantico, i rapporti fra spin e moto orbitale riguardano non
solo le singole coppie ma l'intero superfluido. Nell'elio3 superfluido si ha
direzionalità, come in un cristallo liquido: le copie di atomi possono essere
allineati da fattori esterni come campi magnetici, flussi di liquido o
superfici, e si dice allora che l'elio3 superfluido possiede una struttura
interna. (gli atomi di elio4 non hanno spin ne proprietà direzionali
particolari; perciò l'elio4 superfluido non ha struttura interna.)
Il comportamento
dei superfluidi è di natura profondamente diversa da quello dei fluidi
convenzionali. Un'anomalia notevole si manifesta quando si cerca di far ruotare
un superfluido. Un liquido normale in un secchio che ruota su se stesso a
velocità costante si muove con la stessa velocità angolare del secchio, come se
fosse un corpo solido. La velocità, e quindi anche momento angolare, del liquido
è proporzionale alla distanza radiale dall'asse di rotazione. Tuttavia non è
possibile far ruotare nello stesso modo l'elio superfluido, perché esso è un
liquido quantistico. La rotazione uniforme implica che la velocità, e di
conseguenza il momento angolare, del liquido aumenti lineamente con la distanza
dall'asse di rotazione. Il momento angolare è inversamente proporzionale alla
lunghezza d'onda e quindi le funzioni d'onda quantistiche e degli atomi della
parte più esterna del liquido devono avere una lunghezza d'onda minore di quella
degli atomi più vicini all'asse di rotazione. Questo è certo possibile per gli
atomi di un liquido normale perché ciascuno possiede la propria funzione d'onda.
Ma tutti gli atomi di un campione di elio superfluido sono descritti da un'unica
funzione d'onda quantistica ed è geometricamente impossibile costruire un
insieme di creste e ventri disposti circolarmente la cui spaziatura diminuisca
l'aumentare del raggio. L'elio superfluido esiste in uno stato di non rotazione
nei confronti dell'intero universo. Una funzione d'onda la cui lunghezza d'onda
aumenti all'aumentare del raggio è viceversa possibile. Questo andamento
corrisponde al moto vorticoso di liquido: il flusso è più veloce al centro del
vortice e rallenta all'aumentare del raggio. In effetti, se si fa ruotare su se
stesso un contenitore riempito di elio superfluido, anche a velocità angolare
relativamente bassa, lo stato stazionario cessa di esistere e si ha formazione
di minuscoli vortici. La rotazione non è distribuita
uniformemente come avviene in un liquido convenzionale, ma si propaga nell'elio
superfluido lungo l'asse dei vortici. Le interazioni fra i vortici e fra questi
e le pareti del contenitore generano un certo attrito, e pertanto in queste
condizioni l'elio non è più completamente superfluido. Il flusso rotatorio
associato a ciascuno di questi vortici in miniatura respinge i vicini, cosicché
i vortici formano un reticolo esagonale regolare. I vortici superfluidi
nell'elio quattro sono già abbastanza interessanti, ma la struttura interna
dell'elio3 superfluido dà origine a vortici dal comportamento ancora più
complesso. Lo studio sperimentale di questi fenomeni è estremamente difficile:
non solo si devono raffreddare i campioni fino ad appena qualche millikelvin o
meno, ma occorre anche farli votare per produrre i vortici. Finora si è riusciti
a risolvere questo problema solo facendo votare l'intero dispositivo
sperimentale. La maggior parte dei dati sui vortici nell'elio3 è stata ottenuta
a Helsinki con il criostato ROTA 1,  in funzione dal 1981. Con questo
dispositivo si raggiungono una velocità di rotazione anche di 30 giri al minuto
e una temperatura di soli 0,6 millikelvin. Un modello perfezionato, ROTA 2, è è
divenuto operativo nel 1988. ROTA è un progetto eseguito in collaborazione
dall'accademia di Finlandia e dall'accademia delle scienze dell'unione
sovietica; fra coloro che vi hanno preso parte vi sono Peter Berglund, Juri
Bun'kov, Devi Garibasvili, Pertti Hakonen, Matti Krusius, Olli Lounasmaa, Juri
Mukharskij, Kai Nimmila, Jukka Pekola, Riita Salmelin, Juha Simola, Ladislav
Skrbek e Jelil Tsakadze. I contributi teorici di Martti Salomaa, Grigorij
Volovik e i collaboratori sono inoltre stati decisivi per il successo del
progetto ROTA. Quattro diversi metodi sperimentali sono stati impiegati per
studiare il comportamento dell'elio3 nel criostato rotante: la risonanza
magnetica nucleare (NMR); il giroscopio corrente alternata, che misura le
variazioni di momento angolare del superfluido; la mobilità ionica, che funge da
sonda assai sensibile della struttura del fluido; e gli ultrasuoni, la cui
attenuazione dipende dalla struttura interna del fluido. Le attuali conoscenze
sugli effetti della rotazione nell'elio3 superfluido sono dovute in gran parte a
studi condotti con la risonanza magnetica nucleare: l'elio3 di rotazione è
esposto un campo magnetico costante, e provoca precessione dell'asse di
rotazione dei nuclei. Un segnale a radiofrequenza viene impiegato per investire
gli spin nucleari e la frequenza adatta a provocare l'inversione dipende dalle
interazioni fra gli atomi di elio3. L'esperimento con il giroscopio a corrente
alternata, a cui ha preso parte anche Packard, ha permesso di misurare le
proprietà di flusso dell'elio3. Il giroscopio è costituito da un toro
orizzontale riempito di elio3 in materiale plastico polverizzato (per facilitare
lo scorrimento superfluido), da un meccanismo che fa vibrare il toro e da
strumenti che misurano la risposta del superfluido. In un tipico esperimento con
il giroscopio, inizialmente si raffredda l'elio3 a una temperatura molto
inferiore a quella di transizione a superfluido, mantenendo il campione a
riposo. Poi il criostato che contiene il toro (nel quale vi sono l'elio3 e il
materiale plastico polverizzato) viene fatto notare per 1 min a una velocità
compresa tra 1 e 20 giri al minuto. Nei 5 min successivi alla rotazione gli
sperimentatori registrano l'ampiezza delle vibrazioni intorno all'asse
verticale; queste vibrazioni sono causate dalla precessione del superfluido
rotante del toro e costituiscono una misura del momento angolare. Se la velocità
di rotazione è bassa non vi è momento angolare del dispositivo dopo che il
criostato è stato fermato. Quando esso nuota lentamente il superfluido si limita
scivolare senza attrito attraverso i pori del materiale polverizzato ne torol .
Al di sopra di una velocità critica di 2-3 giri al minuto, iniziano a
formarsi vortici; superfluido viene trascinato e inizia a ruotare. Un certo
momento angolare si conserva nel toro dopo che il criostato viene fermato. Uno
dei primi esperimenti eseguiti con il giroscopio è stato un attento esame per
controllare se l'3He-B fosse veramente un superfluido. Il criostato veniva fatto
notare alla velocità massima per generare un grande momento angolare nel
giroscopio a corrente alternata; veniva quindi fermato e si misurava il momento
angolare. Dopo che il criostato era rimasto fermo per 48 h, mantenuto a una
temperatura inferiore al punto di transizione a superfluido, si misurava di
nuovo il momento angolare del fluido nel toro. Il momento angolare dell'3He-B
rimaneva costante, nei limiti dell'errore sperimentale (se è pari al 10%). La
resistenza flusso ricavata attraverso questo studio che almeno mille miliardi di
volte inferiore a quella del normale elio3 liquido alla stessa temperatura.
Anche quando immobile, l'elio3 contiene stati eccitati,
associati ad atomi che non fanno parte di coppie di Cooper. A ogni atomo non
accoppiato è associata una particella <<ombra>> (una <<buca>>) rappresentata
dallo stato non occupato dell'atomo a cui il primo si sarebbe accoppiato qualora
lo stato fosse stato occupato. Questi stati eccitati combinano le proprietà di
una particella e quelle di una buca. Se momento angolare è rilevante e
predominano le proprietà <<da particella>>, mentre se è piccolo prevalgono le
proprietà <<da buca>>. Lo Stato eccitato viene quindi chiamato a seconda dei
casi, quasiparticella o quasibuca. Un altro esperimento presso uno speciale
criostato costruito nel 1900 tanto da Tony Guénault e da uno di noi (Pickett)
all'università di Lancaster. Questo strumento in grado di afferrare l'elio3 fino
a circa 100 microkelvin, temperatura alla quale gli stati eccitati generati da
effetti termici sono rari. Lo studio dei campioni raffreddati in questo
criostato è stato seguito per mezzo di uno strumento straordinariamente
semplice, ma efficace: un filo sottile di materiali superconduttori piegato in
modo da formare un cappio semicircolare e fissato a entrambe le estremità ( illustrazione ). Se questo filo
viene collocato in un campo magnetico di bassa intensità, la corrente elettrica
che lo percorre sottoposta a una forza così che il filo viene sospinto
lateralmente. Una corrente alternata della giusta sequenza può far oscillare il
filo alla sua naturale frequenza di risonanza oltre a ciò il filo, muovendosi
nel campo magnetico, genera una tensione proporzionale alla sua velocità. Il
filo può essere messo in movimento facendoli passare attraverso una corrente
elettrica si può quindi osservare la risposta misurando la tensione questo
semplice strumento è la sonda utilizzata in tutti gli esperimenti a bassissima
temperatura nel laboratorio dell'Università di Lancaster. La potenziale
applicabilità del cappio superconduttore allo studio della struttura del fluido
è ancora più importante della sua capacità di misurare la temperatura dell'elio3
liquido come abbiamo visto, gli atomi dell'elio3 superfluido sono legati in
coppie di Cooper; quando la velocità massima del cappio supera i 10 mm al
secondo circa, il filo può fornire a una coppia energia sufficiente a scinderla
in due atomi, o quasiparticelle. A temperature e velocità minime, il moto del
filo attraverso il fluido avviene quasi senza attrito; una volta raggiunta la
velocità critica, tuttavia, le forze legate all'attrito aumentano rapidamente di
vari ordini di grandezza, e così lo smorzamento del filo, anche se l'incremento
di velocità è solo di qualche punto percentuale. Dato che la variazione dello
smorzamento è così clamorosa alla velocità critica, qualsiasi scorrimento
anomalo del fluido intorno al filo (che altererebbe la velocità apparente di
quest'ultimo) potrebbe modificare in modo radicale il punto nel quale lo
smorzamento inizia la sua rapida ascesa. La scissione delle coppie fornisce
anche un metodo per produrre artificialmente in maniera controllabile
qusiparticelle e quasibuche. Secondo il modello più semplice del processo di
scissione delle coppie, sviluppato dal fisico canadese Philip Stamp, il filo
funziona come un faretto mobile, emettendo un fascio di quasiparticelle in
avanti e uno di quasibuche al indietro. Presso la temperatura di transizione a
superfluido una notevole percentuale delle particelle non è accoppiata e il
cammino libero medio di una particella fra una collisione e l'altra è molto
breve. Il <<vento>> di quasiparticelle viene quindi rapidamente diffuso disperso
da collisioni con le quasiparticelle e le quasibuche già presenti nel fluido.
Tuttavia, riducendo la temperatura 1/10 della temperatura di transizione a
superfluido, solo una particella su un milione risulta non accoppiata e la
probabilità di collisione è tanto bassa che le particelle che costituiscono il
<<vento>> potrebbero percorrere 1 km o più senza subire urti. gli esperimenti a
basse temperature hanno dimostrato che questo modello è fondamentalmente
corretto. Se si immerge un altro filo nell'elio3 liquido, le quasiparticelle e
le quasibuche emesse dal primo filo che esercitano una forza sul secondo,
facendolo muovere e generando una tensione. Il secondo filo subisce una forza
direttamente proporzionale al numero di stati eccitati che lo colpiscono. Il
numero di particelle nel <<vento>> è a sua volta proporzionale all'energia
dissipata dal primo filo. Pressoché tutta l'energia fornita al primo filo è
trasformata in stati eccitati perché non vi è altro meccanismo che permetta la
dissipazione di energia.
Siamo anche riusciti a confermare che fascio è molto
sottile osservando la distribuzione angolare delle quasiparticelle e messe.
Rimangono tuttavia alcuni misteri irrisolti. Dato che il filo si muove avanti e
indietro, il fascio pulsante di stati eccitati dovrebbe essere costituito da
<<pacchetti>> di quasiparticelle e quasibuche in alternanza. Nel normale
processo di diffusione di una quasiparticella da una parte di una superficie la
quantità di moto della particella dovrebbe venire semplicemente invertita,
cosicché essa imprimerebbe una spinta all’oggetto riflettente. Una
quasibuca, invece, dato che possiede quantità di moto e velocità con versi
opposti, quando viene riflessa dovrebbe esercitare un’azione traente. Tuttavia
accade che il filo rivelatore subisca una spinta in entrambi i casi: sia quando
viene colpito da pacchetti di quasiparticelle sia quando lo urtano pacchetti di
quasibuche. Per comprendere le ragioni di questo fenomeno è necessario chiarire
meglio la natura delle particelle e delle buche nell’elio3. Il concetto di buca
deriva dal concetto di livello di minima energia, o stato fondamentale, di un
sistema di particelle. Nello stato fondamentale di un sistema di fermioni, per
esempio, le particelle occupano tutti gli stati di energia fino a un
certo livello che è determinato dal numero di particelle presenti, dato che 2
fermioni non possono trovarsi nello stesso stato. Tutti i livelli di energia
superiori sono vuoti. Uno stato fondamentale così definito è quello che gli
studiosi di teoria dei campi chiamano vuoto perché, fino a quando gli stati di
bassa energia rimangono occupati e nessuna particella è promossa in uno stato
non occupato, nulla può interagire con esso.
Se si estrae in
un singolo fermione da uno degli stati occupati e lo si colloca in uno stato di
energia più alta la situazione cambia nettamente. La particella al livello
energetico più elevato può ora interagire con diverse forze e si lascia
alle spalle uno stato quantico vuoto: una buca. La particella e la buca si
comportano in maniera sostanzialmente diversa. Se si imprime una spinta a una
particella, essa si allontana. La sua quantità di moto e la sua energia
aumentano o diminuiscono concordemente. Le buche, invece, hanno comportamento
contrario: se si imprime una spinta a una buca essa si avvicina alla fonte della
perturbazione. La quantità di moto di una buca riesce ad aumentare dell'energia
e viceversa. Una buca si comporta pertanto come se possedesse una massa
negativa. Le particelle non accoppiate nell'elio3 superfluido sono
particolarmente interessanti. Le coppie di Cooper che costituiscono la parte
superfluida - lo stato fondamentale - del liquido sono formate da particelle
accoppiate aventi quantità di moto opposte. Di conseguenza gli atomi che non
fanno parte di una coppia di Cooper sono accoppiati con una buca dotata
di quantità di moto opposto o, se si preferisce, con uno stato vuoto nel quale
dovrebbe trovarsi una particella con quantità di moto opposta. Questo fatto è
alla base di un comportamento molto particolare. Nel caso di una particella
normale vi è una relazione semplice tra energia e quantità di moto: entrambe
aumentano o diminuiscono concordemente. La situazione non è più così intuitiva
quando si considerano le quasiparticelle dell'elio3. Un atomo non accoppiato la
cui quantità di moto sia elevata si distingue facilmente perché gli altri stati
aventi un'alta quantità di moto sono vuoti, mentre la buca ad esso associata
(che è uno stato non contenente un atomo) è indistinguibile dagli altri stati
vuoti che hanno quantità di molto elevata. La combinazione particella-buca
appare esattamente come una particella reale e la sua energia è direttamente
proporzionale alla quantità di moto. Al contrario,1 atomo non accoppiato la cui
quantità di moto sia bassa è indistinguibile dalla moltitudine di particelle
accoppiate con bassa quantità di moto; è la buca avente bassa quantità di moto
(che si muove in senso opposto a quello della particella) a distinguersi. E
l'energia della buca aumenta al diminuire della quantità di moto. Fra questi due
estremi vi è un punto in cui l'energia della combinazione particella-buca è
minima e la sua velocità si annulla.
La direzione
della velocità di una quasiparticella che ha quantità di molto bassa (e appare
quindi come una buca) è opposta alla direzione della velocità di una
quasiparticella con quantità di moto elevata (che appare come una particella).
Di conseguenza una quasiparticella che entra in una regione dove una forza si
oppone al suo moto perde gradualmente energia fino a che la sua velocità si
annulla. A questo punto cominciano a prevalere le proprietà da buca, la
direzione della velocità si inverte e la quasibuca ripercorre all'indietro la
traiettoria precedente. In effetti una forza applicata trasforma in mondo dal
nome di Aleksandr F. Andreev dell'Istituto dei problemi fisici di Mosca
che per primo propose questo meccanismo nel contesto dei superconduttori. La
riflessione di Andreev potrebbe spiegare il perché il secondo filo
nell'esperimento del fascio di quasiparticelle avverta una spinta da parte sia
delle quasiparticelle sia delle quasibuche. Quando mle quasiparticelle si
trasformano in quasibuche in riflessione di Andreev in corrispondenza del
secondo filo, questo subisce una spinta; e l'effetto di spinta si manifesta
anche quando le quasibuche si sono trasformate in quasiparticelle. Questo
fenomeno è del tutto dissimile dal processo normale, nel quale i due tipi di
stati eccitati producono effetti opposti.
Lo strumento a
due fili non serve solamente per mostrare il bizzarro comportamento delle
quasiparticelle o delle quasibuche, ma fornisce tutti i componenti necessari per
studiare la dinamica delle quasiparticelle nell'elio3 superfluido. Comprende una
sorgente e un rivelatore e l'intero sistema opera a una temperatura di circa 100
microkelvin. Le ricerche di
laboratorio sul comportamento dell'elio3 superfluido potrebbero aprire nuove
prospettive allo studio di forme di materia che non esistono sulla Terra.
Si ritiene, per esempio, che la materia neutronica nelle pulsar in rapida
rotazione, sia superfluida,  anche se
latemperatura di questi corpi celesti raggiunge i 100 milioni di kelvin.
Ovviamente la materia neutronica non può essere studiata in laboratorio, ma è
forse possibile simularne il comportamento servendosi di elio3 o elio4
superfluido in rotazione. I neutroni com egli atomi dell'elio3, sono fermioni e
si pensa che la materia neutronica diventi superfluida tramite lo stesso
meccanismo di formazione di coppie di Cooper che è operante nell'elio3. Solo
dettagliati calcoli teorici potranno stabilire se l'analogia tra l'elio3
superfluido e la materia neutronica è abbastanza stretta perché questi modelli
siano utili.se è effettivamente così, si potranno condurre esperimenti
sull'elio3 allo scopo di studiare le condizioni esistenti nelle stelle di
neutroni. Vi sono probabilità di scoprire altri superfluido e sulla Terra? Un
candidato promettente è una soluzione diluita di elio3 in elio4 superfluido. A
seconda della pressione, si possono ottenere soluzioni che contengano fino al
10% di elio3. A una temperatura sufficientemente bassa gli atomi di elio3 nella
soluzione dovrebbero formare coppie di Cooper e dare origine alla fase
superfluida. Nelle ricerche già condotte da diversi laboratori, tuttavia, finora
non si è osservata alcuna transizione del genere. La densità degli atomi di
elio3 in una soluzione di questo tipo è molto bassa e le interazioni fra di essi
sono assai deboli. Si stima che la temperatura di transizione sia nell'ordine
dei nanokelvin, quindi molto inferiore agli 80-100 microkelvin che finora sono
stati raggiunti con soluzioni diluite di elio3 in elio4. Questo superfluido
potrebbe consentirci di osservare tipi completamente nuovi di comportamento
atomico. Gli atomi di elio3 formerebbero un superfluido, ma all'interno di un
solvente superfluido: il nuovo sistema sarebbe costituito da due superfluidi
compenetrantisi ma indipendenti. Questo superfluido a due componenti dovrebbe
avere un comportamento ancora più strano di quelli conosciuti fino ad oggi.
Oltre a ciò una teoria indica che in una soluzione diluita di elio3 potrebbero
formarsi due differenti di coppie di Cooper. Il tipo predominante in una data
soluzione dipenderebbe dalla concentrazione di elio3. Ad alte concentrazioni
sarebbero coppie con gli spin nucleari dei due atomi paralleli, come nell'elio3
puro. A concentrazioni più basse, tuttavia, dovrebbero formarsi coppie con spin
opposti mentre a concentrazioni intermedie i due tipi potrebbero
coesistere fianco a fianco e dare origine a un superfluido a tre componenti. La
verifica di una simile possibilità sarà attuabile solo in futuro, perché è
probabile che questa transizione avvenga solo a temperature molto al di là dei
limiti attualmente raggiungibili. Tuttavia non vi è dubbio che queste prima o
poi verranno effettivamente raggiunte.
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