La scoperta di uno strato di "tempesta" creato quando l'elio superfluido scorre su una superficie ruvida ha capovolto un secolo di comprensione di una delle scoperte più importanti della fisica quantistica.

Matematici dell'Università di Newcastle, UK, hanno dimostrato per la prima volta che l'elio superfluido ha uno strato limite che si "attacca" alle superfici allo stesso modo di un fluido ordinario.

Però, a differenza dei normali fluidi che vengono tirati indietro per attrito, nell'elio superfluido la resistenza è causata dalla creazione di mini tornado, che si aggrovigliano come spaghetti, rallentando il flusso.

Pubblicato oggi sulla rivista accademica Lettere di revisione fisica , questa prima prova di uno strato di "tempesta" cambia tutte le ipotesi passate su come si muovono i superfluidi e potrebbe essere utilizzata per comprendere meglio il loro uso come refrigeranti e in dispositivi di misurazione di precisione come i giroscopi.

Tempesta in una tazza da tè

L'autore principale dell'articolo, il dottor George Stagg, dalla School of Mathematics &Statistics della Newcastle University, dice che per visualizzare i risultati della ricerca devi solo pensare alla tua tazza di caffè mattutina.

"Immagina di mescolare una tazza di tè e poi togliere il cucchiaio, " lui spiega.

"Sembra che tutto il tè stia vorticando, ma in realtà alla parete della tazza il tè sta fermo poiché vi si incastra. A causa dell'attrito, gli strati adiacenti di fluido vengono trattenuti mentre cercano di ruotare intorno alla tazza. Questo "strato limite" causa presto l'arresto del flusso.

"Ma se dovessimo ripetere con una tazza di elio superfluido, il fluido continuerebbe a vorticare per sempre poiché non c'è attrito, e nessuno strato limite, per trattenerlo.

"O almeno questo è ciò che si è sempre creduto.

"Ciò che la nostra ricerca ha dimostrato è che questo fenomeno è vero solo per superfici perfettamente lisce. Se la superficie è 'ruvida' fino alla scala dei nanometri, come tutte le superfici, quindi vengono creati mini tornado mentre il superfluido scorre oltre la superficie.

"Questi vortici vorticosi si aggrovigliano come spaghetti e - proprio come quando scoli gli spaghetti e li lasci troppo a lungo in padella - si attaccano insieme, creando uno strato limite lento tra il fluido in movimento libero e la superficie.

"Quindi nella nostra tazza da tè, ciò che vedremmo effettivamente intorno al bordo è una "tempesta", uno strato di tornado vorticosi che si uniscono e portano quasi a un arresto il flusso di fluido più vicino al confine.

"Ciò significa che, contrariamente alla nostra comprensione passata, L'elio superfluido in realtà si comporta più o meno allo stesso modo di un normale fluido."

Una delle scoperte più importanti del XX secolo

L'elio è uno dei pochi elementi conosciuti che non diventerà mai un solido ma rimane liquido anche a temperature estremamente basse.

Nel 1908, Il fisico olandese Kamerlingh Onnes è diventato la prima persona a liquefare l'elio e due anni dopo ha scoperto che quando è stato raffreddato a solo un paio di gradi sopra lo zero assoluto, smetterebbe bruscamente di bollire.

Sarebbero passati diversi decenni, però, prima che gli scienziati fossero in grado di spiegare le strane proprietà dell'elio superfreddo:la sua mancanza di viscosità e la sua costrizione a vorticare solo attraverso minuscoli tornado di dimensioni e forza fisse.

Insieme ad altre proprietà, questi divennero i 'segni distintivi della superfluidità'.

"Questo flusso senza ostacoli era una delle proprietà più eccitanti di un superfluido, " spiega il dottor Nick Parker, Senior Lecturer in Matematica Applicata e coautore del paper.

"Ha cambiato tutto ciò che pensavamo di sapere sulle leggi dell'attrito. Ad esempio, se mescoliamo una tazza di tè e creiamo un 'tornado', non appena togliamo il cucchiaio il tornado inizia a rallentare e alla fine si ferma. Ma se mescoliamo un superfluido, il tornado continuerà per sempre anche una volta rimosso il cucchiaio.

"Questa mancanza di viscosità è una delle caratteristiche chiave che definisce un superfluido".

Importanza degli strati limite

Gli strati limite sorgono quando i fluidi quotidiani, superfici che scorrono, sono rallentati da forze viscose e capire cosa sta succedendo allo strato limite è particolarmente importante in ingegneria.

"Vedere questa stretta connessione tra superfluidi e fluidi classici ci aiuta a mettere insieme i collegamenti tra questi tipi di fluidi apparentemente distinti, possibilmente anche per formare una comprensione universale di come i fluidi scorrono attraverso le superfici, "dice il dottor Parker.

"Gli strati limite sono cruciali nei fluidi normali per molte applicazioni, come il miglioramento del flusso di liquidi attraverso le tubazioni o il deflusso dell'acqua piovana sui materiali da costruzione.

Ora, nei superfluidi, possiamo usare questa comprensione per migliorare le loro applicazioni come refrigeranti e in dispositivi di misurazione di precisione come i giroscopi".