criogenia de helio

En el campo de la criogenia , el helio [He] se utiliza por diversas razones. La combinación de su peso molecular extremadamente bajo y sus débiles reacciones interatómicas produce propiedades interesantes cuando se enfría por debajo de su temperatura crítica de 5,2 K para formar un líquido. Incluso a cero absoluto (0 K), el helio no se condensa para formar un sólido bajo presión ambiente . En este estado, las energías vibracionales de punto cero del helio son comparables a interacciones de enlace interatómico muy débiles, lo que impide la formación de una red cristalina y le confiere sus características fluidas. ^{[ 1 ]} Dentro de este estado líquido, el helio tiene dos fases denominadas helio I y helio II . El helio I presenta 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 transita 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 ]} Según las observaciones, el helio líquido solo exhibe superfluidez porque contiene islas aisladas de BEC, que tienen 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 rotón se refiere a una excitación elemental en el helio superfluido. En los BEC, los modos PR tienen la misma energía, lo que explica las energías vibracionales de punto cero del helio que impiden la formación de la red. ^{[ 5 ]}

Cuando el helio está por debajo de T _λ , la superficie del líquido se vuelve más lisa, lo que indica la transición de líquido a superfluido. ^{[ 6 ]} Los experimentos que involucran bombardeo de neutrones se correlacionan con la existencia de BEC, confirmando así el origen 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 transferir calor de un volumen de temperatura relativamente baja a un volumen de temperatura relativamente alta. ^{[ 8 ]} Si bien este fenómeno parece contradecir la segunda ley de la termodinámica , los experimentos han demostrado que se produce 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 al cambio de fase entre el helio líquido y el gaseoso. ^{[ 8 ]}

• Refrigerador de dilución