El fenómeno de la superfluidez se descubrió hace mucho tiempo, pero no fue hasta la década de 1970 que el científico británico Anthony Leggett descubrió que los pares atómicos del isótopo helio-3 son similares a los pares de electrones de los metales en los superconductores. . Su teoría explica fundamentalmente cómo los átomos de helio interactúan y entran en un estado ordenado y superfluido. La superfluidez es un efecto cuántico a escala macroscópica. Debido a la condensación de Bose-Einstein, los átomos de helio forman un "grupo estrecho". La superfluidez es una manifestación concreta de este fenómeno. Los sistemas de bosones no están restringidos por el principio de Pauli y, dado que las partículas siempre pasan espontáneamente a niveles de energía más bajos, los bosones tienden a condensarse al nivel de energía del estado fundamental, que es la razón básica de la superfluidez.
Desde que Kamerlingh Onnes descubrió la licuefacción del helio, la investigación sobre las propiedades físicas de los materiales a bajas temperaturas se ha ido profundizando gradualmente, y se han descubierto, una tras otra, la superconductividad y la superfluidez a bajas temperaturas. En la década de 1930, la gente descubrió que cuando la temperatura del helio líquido (4He) bajaba a 2,17 K, el helio líquido cambiaba repentinamente de un fluido normal a un "superfluido" con una serie de propiedades inusuales.
El helio líquido superfluido tiene las siguientes características
Por debajo de 2,17 K, el helio líquido superfluido tiene las siguientes características:
Primero, el helio líquido puede moverse a lo largo de líneas muy finas . Flujo capilar (aproximadamente 0,1 micras de diámetro) sin presentar viscosidad alguna. Este fenómeno fue observado por primera vez por Capicha en 1937 y se llama superfluidez.
En segundo lugar, si un disco delgado se suspende por un filamento y se sumerge en helio líquido, y el disco se somete a vibración torsional, no habrá resistencia al movimiento del disco.
En tercer lugar, cuando el helio líquido sale del recipiente A a través de un tapón poroso (o un tubo capilar muy fino), la temperatura del helio líquido en el recipiente A aumenta. Este fenómeno funciona tan bien como el calentamiento mecánico. El proceso opuesto se llama efecto termomecánico, es decir, cuando aumenta la temperatura en A, aumentará el nivel de helio líquido. Si A es un tubo capilar, se observará que el helio líquido sale del puerto superior, por lo que también se denomina efecto fuente.
Además, el helio líquido tiene muy buena conductividad térmica, 800 veces la del cobre a temperatura ambiente.
Estas propiedades son todas fenómenos macroscópicos, pero en realidad son efectos cuánticos del helio líquido superfluido. A diferencia de los objetos macroscópicos, las partículas microscópicas tienen un momento angular "interno": el giro, además del momento en el espacio de coordenadas. En términos generales, se puede considerar como una pequeña peonza giratoria con un pequeño momento magnético. Las partículas con espín medio entero se llaman fermiones, como los electrones, neutrones y protones, y su espín es 1/2. Las partículas con espín entero se llaman bosones, como los fotones y mesones, que tienen espín 1. Para los fermiones, solo se permite llenar una partícula en cada estado debido al principio de exclusión de Pauli. Para los bosones, no hay límite para el número de partículas en cada estado. Después de que la temperatura desciende a un cierto valor, cada vez más bosones tienen la energía más baja, es decir, el impulso es cero. Este fenómeno se llama condensación de Bose-Einstein. La condensación mencionada aquí no es la condensación de gas en líquido, sino "condensación de momento". Es decir, muchas moléculas se mueven hasta alcanzar un momento cero, de modo que se encuentran en el espacio de coordenadas, o en el líquido del recipiente, y la fluidez del líquido sufre un cambio repentino. El helio líquido (4He) es una especie de bosón, y la transición superfluida por debajo de 2,17 K es este tipo de "condensación".
Superfluidez del Helio 3
No fue hasta finales de la década de 1970 que los científicos observaron la superfluidez del Helio 3, debido a que la temperatura que provoca la superfluidez del Helio 3 es sólo la del Helio 4. Una milésima de . Einstein predijo que cuando un gas atómico se enfría a una temperatura muy baja, todos los átomos se condensarán en el estado de menor energía. Este estado de la materia se llama condensación de Bose-Einstein. Los condensados de Abbot son superconductores y superfluidos, que en realidad se encuentran en un estado semicuántico. En un estado semicuántico, los fermiones pueden condensarse en grandes cantidades en un espacio pequeño, como los bosones.
El núcleo externo es material superfluido de Bohai condensado, y el núcleo interno está compuesto de neutrinos, tanto en forma de alta densidad como de gran masa.
Superfluid es un fluido ideal con propiedades peculiares a temperaturas ultrabajas, es decir, no hay viscosidad dentro del fluido. La aplicación de los principios de superfluidez aún está bajo investigación. Sin embargo, ya hay esperanza en este ámbito. En 2002, los científicos alemanes lograron la conversión reversible entre los estados superfluido y aislante del gas atómico rubidio. La comunidad científica y tecnológica mundial cree que este logro supondrá un gran avance en la investigación de la informática cuántica. Este logro fue calificado como uno de los diez mayores avances científicos y tecnológicos del mundo en 2002 por académicos de la Academia de Ciencias de China.
Lo más atractivo del helio 3 es su excelente "potencial" como material energético. El deuterio y el helio 3 pueden sufrir fusión nuclear sin producir neutrones, por lo que la radiactividad es pequeña y el proceso de reacción es fácil de controlar. No puede considerarse ni contaminante ni seguro. El helio 3 puede utilizarse no sólo en centrales nucleares terrestres, sino también como combustible para cohetes y naves espaciales, especialmente para la navegación espacial. Por cada tonelada de helio 3 extraída del suelo lunar se pueden obtener 6.300 toneladas de hidrógeno, 70 toneladas de nitrógeno y 1.600 toneladas de carbono.
Según cálculos de expertos, si se utiliza la fusión nuclear de helio-3 para generar electricidad, la generación total anual de energía en Estados Unidos sólo consumirá 25 toneladas de helio-3 en 1992, la energía total anual de China; La generación eléctrica fue de sólo 8 toneladas de helio-3. Para generar electricidad en el mundo bastan 100 toneladas de helio-3 al año. Según los precios mundiales actuales de la electricidad y los costos del transporte espacial, una tonelada de helio 3 vale aproximadamente 4 mil millones de dólares. Con el desarrollo de la tecnología espacial, los costos del transporte espacial definitivamente disminuirán significativamente. Recientemente, científicos franceses anunciaron que la generación de energía de fusión nuclear utilizando helio 3 se comercializará en 2030. Se estima que si hubiera 5 millones de toneladas de reservas de helio 3 en la Luna, ¡podría sustentar la electricidad de la Tierra durante más de 10.000 años!
Fenómenos superactuales y proyectos de exploración lunar
Desde la década de 1990, la humanidad ha desencadenado una nueva ronda de clímax de exploración lunar, que incluye a China, Israel, Japón, India y otros países. En el clímax de esta exploración lunar, el misterioso elemento helio 3 se convirtió en el objetivo común de todo el mundo. El helio-3 es un isótopo de helio que contiene dos protones y un neutrón. El helio-3 se encuentra originalmente en el viento solar, la corriente de partículas de alta energía expulsadas por el sol. En la Luna, que casi no tiene atmósfera, el viento solar incide directamente sobre la superficie lunar, acumulándose con el tiempo. El contenido de helio 3 en la arena y las piedras lunares está aumentando y se ha convertido en una parte importante del suelo lunar.
La idea de los chinos sobre la exploración lunar
Chang'e 1, que costó 65.438 millones de yuanes y tardó tres años y medio en construirse, voló al espacio la tarde del junio 24 de junio de 2007, y voló alrededor de la luna en la mañana del 5 de junio de 2007. Los chinos tienen cuatro ideas preliminares para explorar la luna:
Primero, es muy importante para nosotros tomar una fotografía tridimensional completa de la luna y capturar todas las imágenes de la luna. Aunque Estados Unidos ha alunizado varias veces, todavía no tiene una imagen completa;
La segunda es detectar varios elementos minerales en la luna mediante análisis espectral. Se estima que hay más de 100 elementos minerales en la Luna, 5 de los cuales han sido detectados por Estados Unidos. Esta vez sumaremos 9 y detectaremos 14 elementos.
En tercer lugar, detectar el espesor del suelo en la Luna. Por ejemplo, midiendo el espesor del suelo, se puede saber que hay "helio 3". En el suelo lunar hay una gran cantidad de elemento químico llamado "helio 3", que es una propiedad gaseosa y también es una fuente de energía de fusión muy importante.
En cuarto lugar, detectar el entorno espacial de la Tierra y la Luna durante el vuelo.
Recursos de Helio 3
Se dice que el "Chang'e-1" tardará unas 173 horas en llegar a la luna, y llegarán japoneses, indios e israelíes. a la luna más tarde. Pero obtener helio 3 es sin duda un objetivo importante. Se estima que hay entre 6.543.800 y 5.000.000 de toneladas en la Luna, y otra teoría es entre 6.543.800 y 6.543.805 toneladas. Por supuesto que prefiero creer lo primero. Se dice que si se utiliza la energía de fusión "helio 3" en el mundo, puede durar al menos 10.000 años.
Además, Helium 3 también tiene un gran poder mágico en el ámbito militar y médico.
Fenómenos superfluidos recién descubiertos
Fenómenos superfluidos que tienen las propiedades de bosones y fermiones
En el mundo de la mecánica cuántica, a menudo podemos ver nuevos descubrimientos sorprendentes .
Por ejemplo, los científicos descubrieron recientemente un nuevo superfluido con propiedades muy peculiares que no pueden explicarse por otros superfluidos. El descubrimiento fue realizado por Aurel Bulgac y Joaquin E. Drut de la Universidad de Washington en Seattle, EE.UU., en colaboración con Piotr Magierski de la Universidad Tecnológica de Varsovia. Proporciona a los científicos un nuevo superfluido híbrido que tiene propiedades tanto de fermión como de bosón. El artículo de investigación fue publicado en la revista Physical Review Letters el 10 de marzo.
Bulgak dijo: "Simplemente cambiando la temperatura, se puede convertir un sistema de bosones en un sistema de fermiones. Este fenómeno no es común en ningún otro sistema hasta ahora. . ”.
Diferente de superfluidos ordinarios