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Cosas de la Fisica

Autor por Emilio Silvera    ~    Archivo Clasificado en Física Cuántica    ~    Comentarios Comments (0)

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Mecánica cuántica

Las propiedades de los bosones y el misterio del helio líquido

Hallan una nueva explicación de por qué el helio no solidifica.

Physical Review Letters

Como es bien sabido, cualquier líquido se congela sí se enfría lo suficiente. Por debajo de cierta temperatura los átomos apenas vibran, por lo que acaban formando un empaquetamiento denso en el que cada átomo ocupa una posición casi fija en el espacio. Esta regla solo conoce una excepción: el helio. A menos que se comprima, el helio 4 permanece en fase líquida incluso a cero grados Kelvin.

  • A temperaturas cercanas al cero absoluto, el helio se vuelve superfluido: un líquido de viscosidad nula que se desliza sin fricción sobre cualquier superficie. Sin embargo, no solidifica. [VUERQEX]

Hasta hoy se pensaba que esa propiedad se debía a la «energía del punto cero». Debido a las leyes de incertidumbre cuánticas, ningún sistema físico puede alcanzar un estado de energía nula; en el caso del helio, se pensaba que dicha energía mínima sería tan elevada que impediría que sus átomos adoptasen una disposición cristalina. Ahora, sin embargo, un artículo publicado en Physical Review Letters acaba de echar por tierra esta explicación. Según los autores, la verdadera razón para que el helio no solidifique se debe al carácter bosónico de sus átomos.

El helio 4 es un átomo «casi perfecto» cuyo núcleo y corteza muestran simetría esférica. Su núcleo posee espín total igual a cero, por lo que es un bosón, al igual que el átomo neutro. Al contrario que los fermiones, los bosones se caracterizan porque muchos de ellos pueden ocupar a la vez un mismo estado cuántico. Ello se debe que dos bosones son partículas completamente indistinguibles desde cualquier punto de vista: la función de onda de dos bosones permanece idéntica cuando se intercambian uno y otro, mientras que la de dos fermiones cambia de signo.

En la práctica ello implica que los átomos de helio continuarán entremezclándose con gran facilidad (es decir, casi sin ningún coste energético) incluso a temperaturas muy bajas, lo cual impedirá que la sustancia cristalice. El caso del helio 4 es el más obvio, pero el trabajo de Massimo Boninsegni, de la Universidad de Alberta, y sus colaboradores va más alla, pues ilustra la importancia general que ejerce la estadística de Bose-Einstein en el diagrama de fases de una sustancia.

Más información en Physical Review Letters. Artículo técnico disponible en arXiv.

 


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