En 1937 Piotr Leodinovich Kapiska descubrió junto a John F. Allen y Don Misener un fenómeno que le ocurría al elemento Helio cuando se le bajaba la temperatura, dejándolo cerca del cero absoluto.
Se observó que a esa temperatura una capa de helio se comportaba de manera extraña apareciendo varios fenómenos que iban aparentemente en contra de algunos principios de la física, entre ellos, que se comportaba como un fluido sin viscosidad.
Pyotr Leodinovich Kapiska, John F. Allen y Don Misener
Cualquier fluido presenta un índice de viscosidad, que le causa una disipación de energía. Microscópicanente se puede interpretar esta viscosidad como una fuerza de rozamiento entre sus partículas o entre las partículas del fluido y las del recipiente que le contiene. Esta viscosidad causa que si al fluido se de proporciona movimiento inicial, las partículas terminan deteniéndose.
El helio hasta los 4,21 K (-268,94 grados centígrados)está en estado gaseoso, por debajo de esta temperatura, pasa al estado líquido. De estos 4,21 K a los 2,18 K, se comporta como un líquido normal, pero al enfriarlo por debajo de esta temperatura, una capa mayoritaria de helio adquiere viscosidad prácticamente cero.
Esto ocurre porque a aproximadamente 2,18 K el isotopo mayoritario del helio, el helio 4 (99,9998% del helio total) sufre una llamada transición de fase a un nuevo estado, llamado Helio II, que se comporta como un superfluído. Por debajo de esta temperatura, el núcleo del Helio II, formado por dos protones y dos neutrones se comporta como una sola partícula con su espín combinado, que es entero y por lo tanto obedece a la estadística de Bose-Eistein, todos los núcleos de Helio II a estas temperaturas tan bajas toman el nivel fundamental de energía y forma un condensado de Bose-Einstein.
Macroscópicamente notamos que una capa superficial de helio adquiere propiedades de superfluido y esta capa va haciéndose más gruesa conforme baja la temperatura, hasta que a temperaturas más próximas al cero absoluto, el otro isotopo estable del helio, el He 3, también adquiere propiedades de superfluido.
La viscosidad nula del He II se muestra por ejemplo, en que si provoco movimiento en la capa superfluida, este movimiento permanece sin desaparecer o que es capaz de ir en contra de la gravedad en las paredes del recipiente que lo contenga y «escale» las pareces terminando por escapar del recipiente, formando la llamada película de Rollin. La conductividad térmica del helio superfluido es gigantesca, casi infinita, por lo tanto el calor se transmite casi instantáneamente a todos sus puntos y es casi imposible general una diferencia (gradiente) de temperatura entre sus partes.
Estas propiedades de superfluido han provocado la aparición de usos industriales y de investigación con el He II, entre ellas:
- Se usa como disolvente cuántico en espectroscopía
- Los superfluidos son útiles como giroscopios de alta precisión
- La superconductividad térmica del He II se utiliza para estabilizar imanes superconductores, como por ejemplo, en el CERN
- Forman una pieza clave en la teoría del vacío superfluido, teoría SVT donde se toma el vacío como un superfluido. Con este tipo de teorías se está intentando unificar la mecánica cuántica y la gravedad.
En la astrofísica se utilizan las propiedades de los superfluidos para modelizar el interior de las estrellas de neutrones. Suponer que el interior de las estrellas de neutrones hay zonas superfluidas, explica el comportamiento de la transmisión de los gigantescos campos magnéticos que están presentes en sus núcleos y su posterior emanación por la capa superconductora exterior para finalmente formar los haces de emisión que conforma el púlsar. Se han comprobado propiedades superfluidas en gases metálicos a alta presión como con el litio y el rubidio.
Posible estructura de una estrella de neutrones
Este comportamiento podría explicar el enfriamiento anormal de la estrella de neutrones remanente de Casiopea A, descubierto por Craig Heinke y Ho Wynn, gracias a las imágenes tomadas por el telescopio espacial Chandra de rayos X en 2010. Se observó un 20% del brillo perdido desde su explosión en 1999 hasta 2010, lo que supondría un enfriamiento del 4%.