MATERIAREN EGOERABEREZIA:HELIO SUPERFLUIDOAJose Antonio Legarreta

Txikitan ikasi eta egunero ikusten dugunez, materiak hiruagregazio-egoera dituela ziurta daiteke: solido-egoera,

likido-egoera eta gas-egoera, bakoitzak berezko ezaugarriakdauzkalarik. Izan ere, eguneroko bizitzan ez omen da materiaren

beste egoerarik ezagutzen.Guzti hau luzaro eguneroko esperientziarekin bat etorri badaere, triologian hutsen bat agertu zen, hala nola, ore-egoera

izenaz ezagutzen dena. Beronek ez dauka solidoen zurruntasunaeta ezta lidikoen fluidotasuna ere; bion bitarteko ezaugarriakagertzen bait ditu. Agregazio-egoeren triologia zalantzatan

jarrita ere, inor ez zen ikergai honetaz arduratu.

Materiaren hiru agregazio-egoera arrunten diagrama. Bertan batetik bestera iragateko eginbehar diren prozesuen izenak ematen dira. Materia arruntean tenperatura jaitsiz edo igozegoera batetik bestera pasatzen da. Tenperatura hartuz kristaltzea, solidotzea eta kondentsa-zio deitutako prozesuak gertatzen dira. Berotuz ordea, sublimazioa, fusioa eta lurrinketa.

Teknikak hobetuz, ikerlariek ten-peratura handitan lan egiteko aukera izanzuten eta ioi-egoera aurkitu zuten, plas-ma izeneko bigarren gas-egoera ekarrizutelarik. Honen ostean astronomoek,neutroizko izarren aurkkundearekinbatera bigarren solido-egoera ekarrizuten; materia hiperdentsu deitutakoa.

Oso tenperatura txikietan lan egitekoahalmenak, bigarren likido-egoera eka-rri zuen; egoera superfluido deritzona.Beronek likido-egoeraren legerik tin-koenak desafiatzen ditu, bere interpreta-zioa (atomo-mailan barne) oso zaila etaeztabaidatua delarik.

Lantxo honetan helioaren egoera

superfluidoaz arituko gara, fisikariekaurkitua duten superfluidorik arraroenadelako.

HELIOARENEZAUGARRIAK

Astronomoek eguzkian aurkitu zu-ten eta geroago atmosferako gas urrie-nen artean identifikatua izan zen. At-mosferan aurki daitekeen helioa 4

2He da

gehienbat, 32He isotopoa %10-7-ko port-

zentaian agertzen delarik.

1.868. urtean espektografoari eskereguzkiaren atmosferan helioa aurkituzen. Lurrean mineral jakin batzuk bero-tuz lortu ahal izan zen. Gas naturalarenhobien ustiakuntza heldu arte, helioarenekoizpena oso urria zen, baina nahikoalaborategi-beharretarako.

Atomo-mailan, hidrogenoaren os-tean helioarena oso sinplea bada ere (bi

SOLIDOA

LIKIDOA GASA

SolidotzeaFusioa

Kristaltzea

Lurrinketa

Kondentsazioa

Sublimazioa

Helio superfluidodun bainura ontzi porotsua sartzen denean:1) Superfluidoa ontzi porotsuaren hormatik sartu egiten da, harik eta barruko superfluidoa eta kanpokoa altuera berean egon arte.2) Erresistentzia elektriko baten bidez aldiuneko korronte elektrikoa sortuko bagenu, beroketak barruko superfluidoari eragingo lioke, kanpokosuperfluidoa tenperatur aldaketa anulatzeko ontziaren barrura sartuko litzatekeelarik.3) Ontziaren kanpotik barruranzko superfluido–fluxua dela eta, superfluido-zirristada sortzen da.

protoi, bi neutroi, bi elektroi), lehen esandugunez jokaerarik arraroena hartzenduen superfluidoa da.

HELIO SUPERFLUIDOA

1900. urte inguruan, ezagutzen zi-ren gas guztiak likidotzeari ekin ziotenikerlariek.

Jakina denez, edozein gas likidotueta solidotu daiteke, baldintza egokietantenperatura jakin bateraino hoztuz gero.Eta are gehiago, gasa zenbat eta presiohandiagoan jarri, likidotze-tenperaturagero eta handiagoa da. Esaterako, pro-panoa eta butanoa botila batean konpri-maketa hutsez giro-tenperaturan izandaitezke likidotuak. Hortaz, gas bat liki-dotzerakoan presioaz nahiz tenperatu-raz balia gaitezke geure xedea lortzeko.

Praktikan oso presio txikian laneginda ere, gas gehienen likidotzeak osotenperatura txikiak eskatzen ditu, zeroabsolutua (-273,16°C = OK) muga iza-ten delarik. Izan ere, egurats-presioan

oxigenoak -218°C-ko tenperatura behardu, nitrogenoak -210°C, kloroak -101°Ceta neonak -248°C. Beste zenbait gasenlikidotzeak zailtasun handia agertu zuenarren, denboraren denboraz eta batez ereteknikaren aurrerapenak zirela eta, gasguztien likidotzea lortuz joan zen.Aipaturiko zailtasuna agertzen zuengasetako bat, hidrogenoa zen; berelikidotze-tenperatura (-260°C) oso txi-kia bait da. Beraz, hidrogenoarenlikidotze-tenperatura zero absolututikoso hurbil dagoela eta, oso zail gertatuzitzaien ikerlariei bera likidotzea, JamesDewar-ek 1892.ean lortu zuelarik.

Denok dakigunez, molekulak geldi-geldi daudenean (hau da, higiduramolekularrik ez dagoenean) energiazinetikoak eta beraz tenperaturak zerobalioa hartzen dute. Zero absolutuan ezdago higidura molekularrik. Beraz, ino-lako molekulak ezin du zero abso-lutupeko egoerarik lortu.

Hau horrela delarik, lantxo honenhasieran esana dugunez helioaren ka-suan kokatuko gara. 1900.ean gas guz-

tiak, helioa izan ezik, likidotuak izanziren. Helioa likidotzeko bide guztiakjorratu zirelarik ere, alde batetik ezinzela likidotu eta are gutxiago solidotu,eta bestetik soil-soilik gas-egoeran egonzitekeela pentsatu zuten horretan arituziren ikerlariek, presioak eta tenperatu-rak edozein balio hartuta ere.

Berez, lehenengo baieztapena zuze-na da, zeren hozketa hutsez helioa ezinbait da solidotu. Eta bigarren baieztape-nari dagokionez, ez dela gas iraunkorraesan behar da, baina bai likidotzen zaile-na. Helioaren likidotzea KammerlingOnnes holandar fisikariak 1908an lortuzuen. Beraz, gas guztiak likidotu zitez-keen, tenperatura baxutan lan egiteakeskatzen zuena ordainduz gero. Aurki-kunde honek helio likidoaren ezauga-rriak ikastera bultzatu zituen ikerlariak.Ezaugarriok ikertzen hasi zirenetik las-ter oso harrigarriak zirela ikusi zuten,beraren jokaera esplikatu ezin zutelarik.

Hasteko, 42He-aren likidotze-tenpe-

ratura presio normalean (1 atm) eza-gutzen denik txikiena da: -268,82°C

(4,18K), hots, zero absolutuaren gai-netik lauren bat gradu zentigradutan.3

2He-ari dagokionez, likidotze-ten-

peratura txikiagoa da: -270°C (3,2K).Tenperatura guztiz txikiagotu arren,0,001K-eraino esaterako, giro-pre-siopean ezin dira helioaren isotopo bioksolidotu.

Esandako tenperaturetan lortutakolikidoek likido guztien ezaugarriakdauzkate, baina tenperatura txikiagotuzgero, biak superfluido-egoerara iristendira. 3He-ak 0,001K tenperaturan lort-zen du superfluido-egoera. 4He-aridagokionez 2,17 K tenperaturan lortzendu bere superfluido-egoera. Gaur egunhain tenperatura txikiak lortu eta luzaromantentzeko tresna egokiak, finlandia-rrek dauzkate. Ondoko lerroetan helioa-ren 4 pisu atomikoko isotopoaren ezau-garriez arituko gara bereziki; berakagertzen bait ditu ezaugarririk berezie-nak.

Helioaren isotopo honek 4,18Ktenperaturan sortzen duen likidoari, He1 deritzo. Lehenago esana denez, tenpe-ratura txikiagotuz gero 2,17K tenpera-turaren inguruan He-ak transformaziobitxia jasaten du, ezaugarri fisikoenaldaketa gertatzen zaiolarik. Transfor-mazio honek solidoketa dirudien arren,likido izaten jarraitzen du. 2,17K tenpe-ratura lortuz gero, 4He-ak superfluido-egoera hartzen du eta era berri honi He IIderitzo.

Zeintzuk dira Helio IIaren bere-zitasunak?

HORMATIK GORA

Biskositatea fluido guztien propie-tatea da; bai gasena eta bai likidoena.Biskositateak fluidoaren barne-marrus-kadura adierazten du, zeinak higidurabaten efektuak, fluidoan zehar, higi-duraren norabide elkartzutean transmi-titzen bait ditu. Unitatea poisea (P) da.

Uraren biskositatea 25°C-tan 0,01P-koa da. Likido oretsuek oso biskositatehandia daukate eta beirek infinitua.Gasek, ostera, oso biskositate txikiadaukate. Helio superfluidoak ez daukabiskositaterik, hau da, guztiz fluidoa da(fluido perfektua).

Adibidez, olio-tanta bat ur-tanta batbaino astiroago irristatzen da kristalbatean behera. Hortaz, olioak urak bai-no biskositate handiagoa dauka. Bainahelio superfluidoa ezagutzen den edo-zein likido normal baino askoz azkarra-go jaisten da. Airean altuera jakin bate-tik eroritako berunezko bola bat bezainazkar irristatuko litzateke helio super-fluidozko tanta bat kristalean behera.

Alderantziz, likido normaletan ezbezala helio superfluidoaren barruan

higitzen den edozein objektuk ez duinongo marruskadurarik topatzen.

Fluidoen mekanikaren lege batenarabera, fluido bat higitzen ari denekodiametroa zenbat eta handiagoa izan,gero eta azkarrago jariatzen da. He II-ak, aldiz, guztiz kontrako jokaera hartzendu; diametro txikidun hodietan azkarra-go higitzen da handidunetan baino.Jokaera honek ondorengo esperimentubitxi honetan garamatza: esmaltatugabeko zeramikazko pitxer bat helio

superfluidoz beteko bagenu, hormanzehar oso azkar alde egingo luke. Ura,berriz, pitxerraren barruan gelditukolitzateke. Beraz, He II-a hain da fluidoperfektua, ezen erretako lurraren poromikroskopikoetatik iragaten bait da.

Baina, ontzi porogabean gordekobagenu, zer gertatuko litzateke? Pentsaliteke He II-a bertan geldituko litza-tekeela, hots, ez lukeela alde egingo,pororik ez dagoelako. Baina, ez da hori

gertatzen; ontziaren barruko hormatikigotzen hasten da eta kanpoko hormatikjaisten da, molekula bakoitzak murrubat eskalatuz alde egingo balu bezala.Prozesuak ontzia hustu arte dirau. Pro-zesu hau ez luke inongo likido normalekburutuko; alde batetik, biskositateaklikidoaren xaflen desplazamendu kapi-larra galerazten bait du eta gainazal-tentsioa dela bide likidoak ahalik etabolumen txikiena betetzeko joera dauka,eta bestetik, grabitate-indarra gainditubeharko luke kanpotik energiarik jaso

A) Mahai biragarri baten bidez ontzia bira-razten badugu, biratu beharrean geldi-geldiksegitzen du. Izan ere, superfluido honek ezdauka biskositaterik eta ez du hormetanmarruskadurarik. Beraiekiko inolako ukipe-nik ez baleuka bezala jokatzen du.

B) Astronomi koordenatuak finkatzeko ba-lio duten izarrekiko ere geldi-geldik segitzendu. Ontziak biratzen du Lurrarekin batera,helio superfluidoa erabat geldi egonik.

A)

B)

geruza bat barne-hormatik igotzen has-ten da, zeharo estaliz. Ontziko ertzerahelduta, kanpo-hormatik jaisten hastenda. Une honetan kanpoko geruzak, gra-bitatearen eraginpean, barruko geruza-tik tiratzen du, ontzia husten delarik.Hortaz, prozesuan lehen esandako liki-do normalen oztopoak gainditzen dituHe II-ak.

BIRATZERIK EZ ZAIOGUSTATZEN

Ontzi batean ura edo beste edozeinlikido normal ipintzen badugu eta ontziabertikala zein horizontalaren inguruanbirarazten badugu, ura ere biraketa-ardatzaren inguruan hasiko da biratzeneta indar zentrifugoaren kariazzurrunbilo bat sortuko da ardatzareninguruan. Hau ez da helio II-arekingertatzen: He II-z betetako ontzia nora-bide bertikala edo beste edozein norabi-deren inguruan biraraziko bagenu, su-perfluidoak geldi-geldi segituko luke.Are gehiago, laborategiarekiko ezezik,izar geldiekiko ere ez da higitzen, labo-

Helio superfluidoak biskositaterikez daukanez, ez du atxekidurarik etaezta ontziaren hormekiko desplazamen-duaren kontrako erresistentzi indarrikere, hau da, ontziak helio superfluidoarieragiten ez dionez, inertzi printzipioabetetzen du. Lehendabizi, ikus dezagunprintzipio honek zer dioen: inolakoindarren eraginik gabe dagoen puntumaterial bat geldirik dago edo higidurazuzen uniformez higitzen da. Printzpiohonen ondorioz inertzia izeneko mate-riaren propietatea daukagu. Propietatehonek adierazten duenez, gorputz batekezin du bere higidurazko edo pausagu-nezko egoera berez aldatu. Helio super-fluidoari marruskaduraz inongo kanpo-indarrik transmititzen ez zaionez, inertziprintzipioaren arabera geldirik segitzendu He II-ak, ontzia higitzen hasitakoan.

Bestalde helio superfluidoa higieraziko bagenu, inertzi printzipioarenarabera higidura zuzen uniformez higitubeharko luke, lehentxeago esana denezdesplazamenduaren aurkako erre-sistentzi indarrik ez dagoelako. Baiez-tapen hau hurrengo esperimentuaz fro-ga daiteke: hodi luze eta itxiaren barruan

He II-a higi erazten denetik aurrerantzetengabe higituko da hodian barne-korronte iraunkorra burutuz, korronteelektriko iraunkorrak supereroaletanhigitzen diren bezalaxe.

BEROAREKIKOJOKAERA

Gorputz baten barrena beroa errazhedatzen denean, bero-eroale ona delaesaten da. Aitzitik, nekez hedatzendenean bero-eroale txarra da. Beraz,gorputz batek beroa erraz eroaten due-nean bero-eroankortasun handia dauka.Bero-eroankortasuna gorputz batekberoa nola eramaten duen adieraztendigun propietatea da.

Fluidoetan molekula bakoitza pun-tu batetik bestera joan daiteke, hau da,higitu egiten da. Higidura horren bidezhedatzen da beroa fluidoan zehar.

Likido normal bat bero-iturri bateneraginpean jartzen denean, likidoarenedozein puntu bero-iturritik zenbat etahurbilago egon hainbat eta beroago dago,hau da, likidoa lokalki berotzen da.Beraz, likidoaren barruan tenperaturdiferentziak sortzen dira. Punturik be-roenetatik punturik hotzenetara heda-tzen da beroa, eta puntu arteko tenperaturdiferentzia zenbat eta handiagoa izan,are eta lasterrago gainera.

Helio superfluidoak beroaren au-rrean ez du lehen esan eran jokatzen.Alde batetik, bere bero-eroankortasunainfinitu bide da, eta berau gero eta han-diagoa da, puntu arteko tenperatur dife-rentzia zenbat eta txikiagoa izan. Beste-tik, helio superfluidoaren hondoan pun-tu berorik sortzen ez denez, ez du iraki-ten. Hala ere, berotu orduko lurrinduegiten da, baina lurrinketa gainazaleangertatzen da, gainerantzeko fluidoa ten-peratura berean gelditzen delarik. Prak-tikan, beraz, bero-supereroale bezalaagertzen da, hots, tenperatur desberdin-tasun txikirik gertatuz gero ere, beroaberehala hedatzen da likidoan zehar.Horregatik lokalki berotzea edo hozteaia ezinezkoa da. Beraz, likidoaren bar-nean ezin da tenperatur desberdintasu-nik sortu.

Helio superfluidoan zehar beroa nolahedatzen den jakiteko, ondorengo espe-

gabe. Hemen termodinamikarenbigarren printzipioa sartzen da: berekabuz utziriko sistemak energia galduegiten du beti, desordenarik handienekoegoerara abiatuz.

Hau horrela delarik, aipaturiko era-gozpen guztiak (biskositatea, gainazal–tentsioa, grabitate-indarra eta termodi-namikaren bigarren printzipioa) gain-ditzen ditu He II-ak. Prozesua, gutxigorabehera, honelaxe suertatuko litza-teke: superfluidoaren lodiera txikiko

rategiak berak Lurrarekin batera Espa-zioan biratu bitartean. Superfluidoa,beraz, astronomian erreferentziatzathartzen diren norabide finkoekiko era-bat geldirik dago. Ontziaren higiduraedozein norabideren ingurukoa (noski,biraketa eta translazio motelak hartzendira kontutan eta ez astindu edo ontziairauli) izanda ere, ezaugarri hau betet-zen du He-ak. Esperimentu honetan HeII-a erreferentzia egonkorra da ontzia-ren higidura guztiekiko eta ziba giros-kopikoa bezala portatzen da.

Biraketa-ardatzaren in-guruan zurrunbiloa sortubeharrean (likido nor-maletan hori gertatzen da),helio superfluidoak dis-tantzikide dauden zurrun-bilo txiki batzuen ingu-ruan biratzen du.

rimentua asmatu zen: helio super-fluidozko bainu batean ontzi poroduneta lepo estuduna sartzen bada, heliosuperfluidoa poroetatik sartzen da ont-zira, kanpoko eta barruko altuera bereandaudenean sartze-prozesua amaitutzatematen delarik. Ondoren erresistentziaelektriko batez ontziaren barrukoa bero-tuko bagenu, ontzia inguratzen duensuperfluidoa horman zehar sartuko lit-zateke, barrukoa hoztu eta tenperaturoreka mantentzeko. Ontzira sartzen denhelio-kantitatearen ondorioz, ontziarenlepotik helio-zirristada handia irteten damasa-desberdintasuna ezabatzeko.

Ikerlariek esperimentu hau berregindute, erresistentzia elektriko baten bi-dezko bapateko beroaldi laburrak sor-tuz. Beroaldi hauen ondorioz beroauhinen antzera hedatzen da masa liki-

doan zehar. Uhin hauei oihartzun sekun-dario deritze. Beroa hedatzeko era hau,ez da beste inongo materi egoeratanbetetzen.

ONDORIO GISA

Besteak beste, 4He-arekin burututakoesperimentu guztiak 3He-arekin ere eginlitezke, baina tenperatura hotzagotan lanegin beharko litzateke; 0,001Ktenperaturaren inguruan hain zuzen. 3He–ak oso propietate harrigarriak agertzenditu: presio jakin batzuen eraginpeansolidotua izan daiteke, baina ez hoztuz;berotuz baizik. Gainera 3He superfluidoamagnetikoa da, burdina edo nikelabezala, eta burututako esperimentuek bimota daudela frogatzen dute: 3A eta 3B.3A Helioak (imantazio handiagoa dauka)

duen dentsitatea kalkulatzea oso zailada, aldakorra delako. Superfluidoa ze-harkatzen duen eremu magnetikoarenarabera aldatzen da dentsitatea.

Amaitzeko, egoera superfluidoazeharo interesatzen zaie astronomoei;neutroizko izarren jokabidea esplika-tzen bait die. Berauetan neutroi-geruzabat dago eta ez da ez solidoa, ez likidoaeta ezta gaseosoa ere; superfluidoa bai-zik. Hortaz, laborategi krioskopikoetanburutzen ari diren ikerlanek, materiakinolako eraginik jasaten ez duen zerualdera garamatzate.

Helio superfluidoa buztinezko ontzi baten barrura sartu eta laster, mahai gainean zehar sakabanatuta ikusten da, ontzia pitzatua balego bezala.Kristalezko ontzia edo metalikoa erabiltzekotan, helio superfluidoa hormaren barruko azalean gora igotzen da, eta ontziarenertzera heldutakoan, hormaren kanpoko azaletik jaisten da, pixkanaka-pixkanaka ontzia hustu eta superfluidoa mahai gaineansakabanatzen delarik.