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Stati fisici

20. Supercritico

Caratteristiche

Un fluido si dice essere in uno stato supercritico (e si dice fluido supercritico) quando si trova in condizioni di temperatura superiore alla temperatura critica e pressione superiore alla pressione critica. In queste condizioni le proprietà del fluido sono in parte analoghe a quelle di un liquido (ad esempio la densità) e in parte simili e quelle di un gas (ad esempio la viscosità); non esiste tensione superficiale in un fluido supercritico, data l'inesistenza di legami liquido/gas.

Scoperta

Nel 1822 il Barone Charles Cagniard de la Tour scoprì il punto critico di una sostanza nei suoi esperimenti con i cannoni. Ascoltando le discontinuità nel rumore di una sfera di selce in un cannone sigillato contenente fluidi a varie temperature, osservò la temperatura critica. Sopra questa temperatura le densità delle fasi liquida e gassosa diventano uguali e le fasi stesse divengono indistinguibili, da ciò è una singola fase fluida supercritica. Le fasi di un elemento o composto possono essere studiate su appositi diagrammi di fase.

Utilizzo

I fluidi nello stato supercritico trovano applicazione come solventi industriali, in sostituzione di quelli organici. In particolare l'anidride carbonica supercritica è largamente utilizzata e si vorrebbe utilizzare come sostituto del vapore nelle turbine per la produzione di energia, ottenendo un aumento dell'efficienza superiore al 40 % e dimensioni delle turbine 30 volte più piccole.

21. Superfluido

Caratteristiche

La superfluidità è uno stato della materia caratterizzato dalla completa assenza di viscosità, dall'assenza di entropia e dall'avere conducibilità termica infinita. I superfluidi, se messi in un percorso chiuso, possono scorrere infinitamente senza attrito.

Come ottenerlo

La transizione a superfluido avviene nei liquidi quantistici di sotto a una certa temperatura critica. Un esempio di superfluido è l'Elio4, He4, ossia l'isotopo dell'elio più comune sulla Terra. L'elio4 ha una transizione da liquido normale (chiamato elio4 I) a liquido superfluido (chiamato elio4 II) a temperature tra T = 2,17 K a pressione p = 0 mbar e T = 1.76 K a pressione p~30 mbar. Dal 1995, oltre l'elio liquido, troviamo molti atomi alcalini che hanno una transizione superfluida a temperature dell'ordine della decina di nanoKelvin.

Scoperta

La superfluidità è stata scoperta da Pëtr Leonidovic Kapica (in foto), John F. Allen, e Don Misener nel 1937. Lo studio dei superfluidi è chiamato idrodinamica quantistica.

22. Supersolido

Caratteristiche

Un supersolido è un materiale con atomi ordinati (un solido o un cristallo) con le proprietà di un superfluido, cioè può far scorrere i propri atomi tra di loro senza attrito. Gli atomi hanno raggiunto lo stato quantico di minima energia e gli atomi riescono a scorrere tra di loro con viscosità nulla.

Scoperta

2004 Eun-Seong Kim (foto) insieme a Moses ChanKim scoprono l'elio supersolido. Nel 2008, Eun-Seong Kim si è aggiudica l’Osheroff Lee Richardson North American Science Prize, dall’Oxford Instruments per i suoi contributi alla comprensione dell’elio solido.

Esperimento

Fu utilizzato un oscillatore a torsione nell'esperimento. Per esempio l'elio4 a 230 mK ha una transizione a supersolido. L'elio a quelle temperature alla pressione ambientale ha lo stato di un liquido quindi per spingere l'elio allo stato solido è necessario innalzare la pressione fino a 25 atmosfere.

23. Condensato di Bose Einstein

Caratteristiche

Il condensato di Bose-Einstein (in sigla BEC) è uno stato della materia che si ottiene quando si porta un insieme di bosoni (mediatori di forza) a temperature molto vicine allo zero assoluto.

Scoperta

Nel 1924 il fisico indiano Satyendra Nath Bose inviò ad Albert Einstein un articolo in cui, trattando i fotoni come un gas di particelle identiche, era riuscito a derivare la legge di Planck per la radiazione di corpo nero.

Come ottenerlo

E' stato ottenuto la prima volta nel 1995 da un gas di rubidio molto rarefatto alla temperatura di 1,7 x 10-7 K sottoposto a un campo magnetico. Nel mese di novembre del 2010 il primo fotone del condensato di Bose-Einstein è stato osservato.

24. Condensato fermionico

Caratteristiche

Un condensato fermionico è simile al condensato di Bose-Einstein, soltanto che qui è fatto da fermioni.

Come ottenerlo

Il primo esperimento atomico, condensato fermionico è stato creato da Deborah S. Jin nel 2003. Nella cromodinamica quantistica (QCD) il condensato chirale è anche detto condensato di quark. Questa proprietà del vuoto QCD è in parte responsabile nel dare massa agli adroni. Si ottiene per raffreddamento di un fluido a temperatura di 5 x 10-8 K sottoposto a un campo magnetico.