En el campo de la criogenia , el helio [He] se utiliza por diversas razones. La combinación del peso molecular extremadamente bajo del helio y las reacciones interatómicas débiles producen propiedades interesantes cuando el helio se enfría por debajo de su temperatura crítica de 5,2 K para formar un líquido. Incluso en el cero absoluto (0 K), el helio no se condensa para formar un sólido bajo presión ambiental. En este estado, las energías vibracionales del punto cero del helio son comparables a interacciones de enlace interatómico muy débiles, lo que evita la formación de redes y le da al helio sus características fluidas. [1] Dentro de este estado líquido, el helio tiene dos fases denominadas helio I y helio II . El helio I muestra propiedades termodinámicas e hidrodinámicas de fluidos clásicos, junto con características cuánticas. Sin embargo, por debajo de su punto lambda de 2,17 K, el helio pasa a He II y se convierte en un superfluido cuántico con viscosidad cero. [2]
En condiciones extremas, como cuando se enfría más allá de T λ , el helio tiene la capacidad de formar un nuevo estado de la materia, conocido como condensado de Bose-Einstein (BEC), en el que los átomos pierden prácticamente toda su energía. Sin energía para transferir entre moléculas, los átomos comienzan a agregarse creando un volumen de densidad y energía equivalentes. [3] A partir de las observaciones, el helio líquido solo exhibe superfluidez porque contiene islas aisladas de BEC, que tienen una magnitud y fase bien definidas, así como modos fonón - rotón (PR) bien definidos. [4] Un fonón se refiere a un cuanto de energía asociado con una onda de compresión como la vibración de una red cristalina, mientras que un roton se refiere a una excitación elemental en helio superfluido. En los BEC, los modos PR tienen la misma energía, lo que explica las energías vibracionales de punto cero del helio para prevenir la formación de la red. [5]
Cuando el helio está por debajo de T λ , la superficie del líquido se vuelve más suave, lo que indica la transición de líquido a superfluido. [6] Los experimentos que involucran bombardeo de neutrones se correlacionan con la existencia de BEC, lo que confirma la fuente de las propiedades únicas del helio líquido, como la superfluidez y la transferencia de calor. [6] [7]
Aunque parezca paradójico, los sistemas criogénicos de helio pueden mover calor desde un volumen de temperatura relativamente baja a un volumen de temperatura relativamente alta. [8] Aunque este fenómeno parece violar la segunda ley de la termodinámica , los experimentos han demostrado que esto prevalece en sistemas donde el volumen de baja temperatura se calienta constantemente y el volumen de alta temperatura se enfría constantemente. Se cree que este fenómeno está relacionado con el calor asociado con el cambio de fase entre el helio líquido y gaseoso. [8]
El helio líquido se utiliza como refrigerante en diversas aplicaciones superconductoras. Entre ellas, destacan los aceleradores de partículas , en los que se utilizan imanes para dirigir las partículas cargadas. Si se requieren campos magnéticos grandes, se utilizan imanes superconductores. Para que los superconductores sean eficientes, deben mantenerse por debajo de su temperatura crítica respectiva. Esto requiere una transferencia de calor muy eficiente. Debido a las razones comentadas anteriormente, el helio superfluido se puede utilizar para transferir eficazmente el calor de los superconductores. [9]
Un uso propuesto para el helio superfluido es en la computación cuántica. Las computadoras cuánticas utilizan los estados cuánticos de la materia, como el espín del electrón , como bits cuánticos individuales (qubits), un análogo cuántico del bit utilizado en las computadoras tradicionales para almacenar información y realizar tareas de procesamiento. Los estados de espín de los electrones presentes en la superficie del helio superfluido en el vacío son prometedores como excelentes qubits. Para ser considerado un qubit utilizable, se debe crear un sistema cerrado de objetos cuánticos individuales que interactúen entre sí, pero cuya interacción con el mundo exterior sea mínima. Además, los objetos cuánticos deben poder ser manipulados por la computadora, y las propiedades del sistema cuántico deben ser legibles por la computadora para señalar la terminación de una función computacional. [10] Se cree que en el vacío, el helio superfluido satisface muchos de estos criterios ya que un sistema cerrado de sus electrones puede ser leído y manipulado fácilmente por la computadora de manera similar a los electrones manipulados electrostáticamente en heteroestructuras de semiconductores. Otro aspecto beneficioso del sistema cuántico de helio líquido es que la aplicación de un potencial eléctrico al helio líquido en el vacío puede mover cúbits con poca decoherencia. En otras palabras, el voltaje puede manipular los cúbits con poco efecto en el ordenamiento de los ángulos de fase en las funciones de onda entre los componentes del sistema cuántico de helio líquido. [11]
La aparición de rayos X de alto flujo proporciona una herramienta útil para desarrollar estructuras de proteínas de alta resolución. Sin embargo, la cristalografía de mayor energía ocasiona daños por radiación a las proteínas estudiadas. Los sistemas criogénicos de helio se pueden utilizar con mayor eficacia que los sistemas criogénicos de nitrógeno para evitar daños por radicales a los cristales de proteínas. [12]