A temperature molto basse, prossime allo zero assoluto, in ogni materiale gli effetti quantistici diventano prevalenti e ciò per i fluidi dà luogo a comportamenti apparentemente paradossali. L'elio è l'unico liquido che, per pressioni minori di 25 MPa, non solidifica mai nemmeno allo zero assoluto per cui di fatto è l'unico fluido in cui tali effetti sono praticamente osservabili (sebbene sia stato recentemente scoperto che anche l'idrogeno può comportarsi come un superfluido ma solo in
condizioni artificiali di sottoraffreddamento estremamente instabili). Per l'elio superfluido, a sua volta, esistono due distinti isotopi He3 ed He4, il primo si comporta come superfluido solo a temperature minori di 0.0025K mentre il secondo già a temperature minori di 2.172K per cui è quello più studiato. È bene sottolineare che l'He4 è totalmente un superfluido solo allo zero assoluto mentre per temperature comprese tra 0K < T <= 2.172K si presenta come una mistura di due diversi fluidi, un superfluido e un fluido ordinario con una propria viscosità.
La proporzione relativa tra i due tipi di fluido nella mistura dipende dalla temperatura T risultando solamente fluido ordinario a T=2.172K. Una delle proprietà più importanti di un superfluido è l'assenza di viscosità per cui non si ha alcuno scambio di forze tra il fluido ed eventuali ostacoli o pareti presenti nel flusso (Paradosso di d'Alembert). Un'ulteriore proprietà notevole dei superfluidi è la conducibilità termica che diventa infinita rendendo di fatto impossibile generare dei gradienti di temperatura. L'assenza di viscosità nei superfluidi ne causa la mancanza di dissipazione (almeno di quella comunemente considerata tale) per cui in presenza di una rotazione i superfluidi generano delle linee vorticose di sezione puntiforme la cui circolazione però pur essendo finita può assumere solo valori discreti. In particolare, la circolazione deve essere
un multiplo intero di h/m dove h è la costante di Plank e m la massa di un atomo; risulta quindi che sebbene h sia molto piccola lo è anche m per cui il rapporto h/m non è affatto infinitesimo come comunemente accade per i fenomeni quantistici ed è osservabile macroscopicamente. Lo studio dei vortici nei superfluidi ha interesse prevalentemente negli studi teorici di dinamica della vorticità non viscosa e dinamica della turbolenza per numeri di Reynolds tendenti all'infinito.
A causa delle condizioni estreme in cui l'He4 mantiene le proprietà di superfluido la sua applicazione tecnologica è limitata a casi limitati; alcuni tra essi sono la lubrificazione di giroscopi ad alta precisione utilizzati in esperimenti di fisica teorica, e il rallentamento di raggi luminosi (fino a velocità dell'ordine di 17m/s!) dimostrato da Hau et al. su (Nature, vol. 397, 1999).
Roberto Verzicco
Dipartimento di Ingegneria Meccanica Università di Roma "Tor Vergata"