Superfluidità: il liquido che risale le pareti e non si ferma mai

Immaginate un liquido che risale da solo le pareti del suo contenitore, scavalca il bordo e gocciola all'esterno. Un liquido che scorre attraverso fessure così sottili da essere impenetrabili a qualsiasi gas, e che messo in rotazione non si ferma mai. Non è fantascienza: è la superfluidità, uno degli stati più strani della materia, che l'elio liquido raggiunge a temperature vicinissime allo zero assoluto. È un fenomeno puramente quantistico, eppure abbastanza grande da poterlo osservare a occhio nudo in un laboratorio.

Cos'è la superfluidità

Un superfluido è un fluido con viscosità zero: scorre senza alcun attrito interno. L'elio-4, l'isotopo più comune dell'elio, diventa superfluido quando viene raffreddato sotto i 2,17 kelvin (circa −271 °C), una soglia chiamata punto lambda per la forma della curva del calore specifico. Sopra quella temperatura l'elio è un normale liquido freddo, chiamato elio I; sotto, diventa elio II, e una frazione crescente degli atomi entra in uno stesso stato quantistico collettivo: il liquido comincia a comportarsi come un'unica, gigantesca onda di materia. La voce di Wikipedia dedicata alla superfluidità raccoglie la storia e le proprietà di questo stato.

La scoperta risale al 1937-1938. Il fisico sovietico Pëtr Kapica e, in modo indipendente, i britannici John F. Allen e Don Misener documentarono che l'elio sotto il punto lambda perdeva ogni viscosità. Kapica pubblicò i suoi risultati su Nature nel 1938 e per questo lavoro ricevette il premio Nobel per la fisica nel 1978. Fu il fisico teorico Lev Landau, qualche anno dopo, a costruire l'impalcatura matematica che spiegava il fenomeno, valendogli a sua volta il Nobel nel 1962.

I comportamenti impossibili

Le manifestazioni della superfluidità sembrano violare il senso comune. La più spettacolare è il film di Rollin: un sottilissimo strato di elio, spesso appena qualche decina di atomi, striscia lungo le pareti del contenitore, ne scavalca il bordo e cola all'esterno, finché il recipiente non si svuota da solo. È come se il liquido "cercasse" di livellarsi con tutto ciò che lo circonda, ignorando la gravità.

C'è poi l'effetto fontana: scaldando leggermente un punto del superfluido attraverso un tappo poroso, il liquido viene spinto verso la zona calda con tale forza da formare un getto che zampilla verso l'alto per centimetri. E ancora: un superfluido messo a ruotare in un anello continua a girare praticamente all'infinito, perché senza attrito non c'è nulla che ne dissipi il moto. Questa circolazione quantizzata avviene in vortici discreti, "pacchetti" di rotazione che non possono assumere valori arbitrari ma solo multipli di una quantità fondamentale. Si osserva persino il secondo suono, un'onda non di pressione ma di temperatura che si propaga nel liquido.

Perché succede: la fisica quantistica visibile

Il segreto sta nella natura quantistica degli atomi di elio-4, che sono bosoni. A temperature ordinarie il comportamento quantistico dei singoli atomi è mascherato dall'agitazione termica. Vicino allo zero assoluto, però, una grande frazione di atomi "condensa" nello stesso stato di energia minima, in un fenomeno imparentato con il condensato di Bose-Einstein. Il liquido si descrive allora con un modello a due fluidi: una componente normale, viscosa, e una componente superfluida priva di attrito e di entropia, che convivono nello stesso recipiente. Come spiega la Encyclopædia Britannica, è questa frazione superfluida a produrre tutti i comportamenti paradossali.

Anche l'altro isotopo, l'elio-3, può diventare superfluido, ma a temperature ancora più estreme, intorno ai 2 millikelvin: i suoi atomi sono fermioni e devono prima accoppiarsi a due a due, in modo analogo a quanto accade agli elettroni nei superconduttori. La scoperta valse il premio Nobel per la fisica del 1996 a David Lee, Douglas Osheroff e Robert Richardson.

L'esperimento del secchio rotante

Una delle prove più eleganti dell'esistenza di "due fluidi" in uno solo è l'esperimento ideato negli anni Quaranta dal fisico georgiano Elephter Andronikashvili. Immergendo nell'elio II una pila di dischi sottili e mettendola in oscillazione, si misura quanta parte del liquido viene "trascinata" dal movimento: al di sotto del punto lambda, una frazione sempre maggiore di elio semplicemente non partecipa alla rotazione, come se fosse invisibile ai dischi. Quella frazione "fantasma" è la componente superfluida, che non sente l'attrito e quindi non viene trascinata. Abbassando la temperatura verso lo zero assoluto, la componente normale quasi scompare e il liquido diventa superfluido quasi al cento per cento. È un modo concreto, e misurabile, di "vedere" un effetto che nasce dalle regole della meccanica quantistica.

A cosa serve

La superfluidità non è solo una curiosità da laboratorio. L'elio superfluido è un refrigerante straordinario, usato per raffreddare i magneti superconduttori dei grandi acceleratori di particelle come quelli del CERN e gli strumenti di alcuni telescopi spaziali. La sua capacità di trasportare calore in modo efficientissimo lo rende insostituibile nella ricerca alle bassissime temperature. E i fisici studiano i superfluidi anche come "modelli da tavolo" per indagare fenomeni altrimenti irraggiungibili: si pensa, per esempio, che l'interno delle stelle di neutroni sia composto da neutroni superfluidi, e improvvisi "scatti" nella loro rotazione (i cosiddetti glitch) vengono interpretati proprio in termini di vortici quantizzati. Un promemoria affascinante del fatto che le regole bizzarre del mondo quantistico, a volte, diventano abbastanza grandi da poterle guardare.