Quando i fisici della Cornell Robert Richardson, David Lee e Douglas Osheroff hanno ricevuto il Premio Nobel 1996 per la loro scoperta dello stato superfluido dell'elio liquido, era solo l'inizio. Ora un nuovo team di ricercatori Cornell, basandosi su quel lavoro, hanno trovato nuove complessità nel fenomeno, con implicazioni per lo studio della superconduttività e modelli teorici dell'origine dell'universo.

"Volevamo vedere nuove transizioni di fase, " disse Jeevak Parpia, professore di fisica. Come si è scoperto, ha visto una transizione più "efficiente" rispetto a qualsiasi altra osservata prima nell'elio.

I risultati sono pubblicati il ​​3 luglio sulla rivista Comunicazioni sulla natura . Parpia e il suo gruppo di ricerca hanno collaborato con un gruppo guidato da John Saunders, professore di fisica, al Royal Holloway, Università di Londra.

Quando l'isotopo dell'elio noto come elio-3 viene raffreddato a 3,2 gradi sopra lo zero assoluto, passa da gas a liquido, ciò che i fisici chiamano "cambiamento di stato". Raffreddalo ulteriormente – fino a circa un millesimo di grado sopra lo zero assoluto – e diventa un "superfluido" che può fluire senza resistenza dall'ambiente circostante. Se ne metti un po' in un canale circolare e lo fai scorrere intorno al cerchio, scorrerà per sempre, non rallentato dall'attrito. Questo comportamento dell'elio è di grande interesse perché anche gli elettroni in un superconduttore si comportano come un superfluido, scorre senza resistenza dagli atomi nel conduttore.

Per cercare la transizione, Il gruppo di ricerca di Parpia ha utilizzato la Cornell NanoScale Science and Technology Facility per realizzare una testa a "pendolo di torsione", un disco di silicio di 14 millimetri di diametro, in cui hanno inciso un canale circolare largo 3,5 millimetri, aggiungendo una copertura in vetro per rendere la cavità alta 1,08 micron (milionesimi di metro). Ruotando il disco avanti e indietro, l'elio superfluido scorre nella cavità, e la quantità che è superfluida può essere osservata come un cambiamento nel periodo di oscillazione del disco.

I ricercatori hanno osservato le due fasi della superfluidità che Richardson, Lee e Osheroff avevano riferito, indicati come A e B. Hanno anche scoperto che la fase A potrebbe essere "sovraraffreddata" ma da nessuna parte tanto quanto può essere più grande, esperimenti ingombranti.

Un esempio di sottoraffreddamento può essere visto quando l'acqua viene raffreddata al di sotto del punto di congelamento pur rimanendo liquida. Ma aggiungi un po' di ghiaccio o anche un po' di polvere per formare un "punto di nucleazione, " e l'acqua si congelerà, diffondendosi da lì.

Nell'esperimento di Cornell, l'elio in alcuni casi si è raffreddato al di sotto della temperatura alla quale era prevista la transizione da A a B ma è rimasto nella fase A, anche se potrebbe passare spontaneamente a B. Nei grandi sistemi si pensa che tale transizione spontanea avvenga a causa di un raggio cosmico o di qualche altra radiazione locale che è entrata nel campione per fungere da punto di nucleazione, oppure è innescato da vibrazioni. O forse, i teorici avevano proposto, potrebbero esserci altre fasi intermedie che non abbiamo ancora identificato che aiutano la transizione a verificarsi tramite un processo chiamato "tunneling risonante".

Parpia ha scelto un apparato nanofabbricato per studiare l'effetto del confinamento. In un superconduttore, gli elettroni si uniscono in "coppie Cooper" che sono magneticamente neutre e non interagiscono con i nuclei nel conduttore. Allo stesso modo, atomi di elio nel superfluido neutro si accoppiano, orbitano l'uno intorno all'altro come pesi all'estremità di una corda lanciata roteando nell'aria. I ricercatori hanno impostato l'altezza del canale del fluido per essere paragonabile ad alcune delle lunghezze della distanza di accoppiamento, così che l'interazione tra le coppie e le pareti altera l'equilibrio verso la fase A rispetto alla fase B. Non è ancora chiaro se esistano nuove fasi in queste condizioni, ma dovrebbe essere rivelato in ulteriori studi, i ricercatori hanno detto, che metterà alla prova gli effetti di vari gradi di contenimento.

Se viene confermato il ruolo delle fasi intermedie, i ricercatori hanno detto, questo può aiutare i cosmologi a spiegare e modellare come l'universo si è evoluto "in modo efficiente" in una serie di transizioni di fase durante i momenti successivi al Big Bang.