CRIOGENIA

CRIOGENIA

. Letteralmente il vocabolo significa "produzione di ghiaccio" (dal greco χριός, ghiaccio, e γίγνομαι, produrre), ma attualmente è usato per indicare la branca della fisica che tratta i fenomeni relativi a temperature molto basse e le tecniche per ottenere tali temperature (v. temperatura, App. III, 11, p. 926).

Storicamente, questo campo della fisica ha inizio verso la metà dell'Ottocento con i successi ottenuti da vari fisici nella liquefazione dei gas, detti allora permanenti, perché si riteneva che non potessero avere le fasi liquida e solida. I nomi più famosi legati a questo settore della fisica sono: L. P. Cailletet, J. Dewar, C. von Linde, G. Claude, H. Kamerlingh Onnes. Dal punto di vista scientifico il maggior interesse della c. è collegato alla scoperta fatta da Kamerling Onnes nei primi anni di questo secolo (conseguenza della liquefazione dell'elio, da lui ottenuta nel 1908) dei due fenomeni della superfluidità (v. in questa App.) del 2⁴He e della superconduttività (v. in questa App.) di molti metalli e leghe.

In questi ultimi anni un altro fenomeno, altrettanto importante anche se non così inaspettato come i due citati, è stato scoperto: la superfluidità del 3²He. L'interpretazione della superfluidità del 2⁴He, data da F. London, è basata sull'ipotesi che gli atomi di 2⁴He, nei quali il valore dello spin nucleare totale è zero, seguano la legge statistica di Bose-Einstein. La superfluidità è un caso di "condensazione di Bose" del fatto cioè che un numero crescente di atomi, al diminuire della temperatura, cade nel livello di energia più basso. Questa teoria escludeva, per principio, la possibilità della superfluidità del 2³He poiché gli atomi di questo isotopo hanno il valore dello spin nucleare pari a h/4π), con h costante di Planck, e quindi seguono, anziché quella di Bose-Einstein, la statistica di Fermi-Dirac. Tale statistica non prevede alcun fenomeno quale quello della condensazione di Bose. È invece possibile prevedere altre proprietà peculiari per sistemi di particelle che seguono tale statistica (e che per questo sono chiamate fermioni) qualora siano sufficientemente densi e a temperature molto basse. È merito di L. D. Landau aver sviluppato questo modello, da lui chiamato "liquido di Fermi", e aver indicato nel 3He a basse temperature un possibile esempio reale. Esperimenti condotti da numerosi ricercatori sul 2³He, a temperature sempre più basse, permisero di confermare che le idee di Landau erano in accordo con le proprietà del 2³He: in particolare la propagazione del suono presenta una netta variazione a ≈ 0,01 °K sia nella velocità di propagazione sia nel coefficiente di attenuazione. Al di sotto di questa temperatura il nuovo modo di propagarsi viene chiamato, con il termine usato da Landau "suono zero".

Ma l'idea della possibilità che anche per lo lHe potesse esistere uno stato superfluido del tipo già noto fu discussa da vari fisici teorici, soprattutto dopo che la teoria di J. Bardeen, L. N. Cooper e J. R. Schrieffer per la superconduttività ebbe dato un modello secondo il quale anche sistemi di fermioni possono presentare stati di condensazione. La ricerca della superfluidità del 2³He, a temperature sempre più basse, si sviluppò nella seconda metà degli anni Sessanta e, dopo vari insuccessi, fu scoperta nel 1972 dai ricercatori americani D. D. Osheroff, R. C. Richardson e D. M. Lee. Il risultato, inatteso, fu che esistevano non una ma due, anzi tre nuove fasi liquide superfluide. Nella fig. 1 è rappresentato schematicamente il diagramma di stato del 2³He liquido. A temperatura di pochi millesimi di °K e a pressione di qualche decina di atm (sotto la pressione di solidificazione) lo 2³He passa dallo stato "liquido di Fermi" ad altre due fasi liquide superfluide: 2³HeA 2³HeB. La linea di separazione fra queste due fasi dipende però dalla presenza di un campo magnetico e quando questo non è nullo essa si sposta, assumendo una forma come quella tratteggiata nella figura. La fase liquida che esiste in campo magnetico fra 2³HeA e 2³HeB è chiamata 2³HeA₁. Tale comportamento complesso è interpretato come dovuto ai vari modi possibili che hanno due atomi di 2³He di accoppiarsi magneticamente. L'interesse scientifico per una sostanza così ricca di sorprese è molto vivo e intensa la ricerca anche se presenta grandi difficoltà dovute alle temperature così basse, al limite delle attuali possibilità sperimentali.

Questi brillanti risultati sperimentali non sarebbero stati possibili senza un importante innovamento tecnico: il refrigeratore a diluizione di una miscela 2³He-2⁴He. Questi due elementi, oltre la proprietà, già nota, di essere gli unici che rimangono allo stato liquido a temperature comunque basse (essi infatti non hanno punto triplo e sono solidificabili solamente con pressioni di decine di atmosfere) presentano anche uno smiscelamento parziale al di sotto di 0,83 °K. Questo fenomeno, dovuto come gli altri alle caratteristiche quantistiche di queste sostanze, era noto fin dalla metà degli anni Cinquanta. Una miscela di 2³He e 2⁴He raffreddata al di sotto di 0,83 °K si separa in due fasi di diversa densità: quella più concentrata in 2³He galleggia al di sopra di quella più diluita (cioè più ricca di 2³He). La curva di smiscelamento è mostrata nella fig. 2. Per ogni temperatura c'è, quindi, una situazione di equilibrio data dalle concentrazioni di 2³He in 2⁴He nelle due fasi. Il processo di refrigerazione consiste nel sottrarre eHe dalla fase diluita provocando un passaggio di 2³He dalla fase concentrata a quella diluita che il sistema compie per mantenere le concentrazioni ai valori di equilibrio. La trasformazione che subisce lo 2³He nel passaggio fra le due fasi è analoga all'evaporazione di un liquido e avviene con assorbimento di energia che provoca un corrispondente abbassamento della temperatura. Nella fig. 3 è mostrato lo schema di un refrigeratore a diluizione. Nella figura non sono rappresentati gli stadi di preraffreddamento all'azoto e all'elio liquidi. Il metodo usato per sottrarre 2³He dalla fase diluita consiste nel collegare la cella di smiscelamento a un'altra, chiamata distillatore, più calda, dalla quale, con una pompa da vuoto, si asportano i vapori di 2³He. Nel distillatore sono presenti sia 2He che 2⁴He, ma la grande differenza fra le tensioni di vapore dei due isotopi fa sì che il vapore pompato via sia in grandissima parte 2³He. In tal modo s'impoverisce la miscela del distillatore che richiama altro 2³He dalla cella di smiscelamento. L'2³He pompato viene ricondensato e, attraverso una serie di scambiatori di calore, viene raffreddato il più possibile e rimandato nella cella di smiscelamento. Il refrigeratore funziona così in modo continuo e può mantenere un ambiente sperimentale ad esso collegato (normalmente di pochi cm³) a temperature fino a pochi millesimi di °K.

Recentemente a questo refrigeratore è stato associato un ulteriore stadio di raffreddamento che consiste in una cella di puro 2³He liquido, che viene compresso adiabaticamente fino alla pressione di solidificazione. Se prima della compressione l'2³He viene raffreddato, per es., a 0,01 °K, la solidificazione comporta un'ulteriore diminuzione della temperatura fino a frazioni del millesimo di °K. Tale effetto di raffreddamento è noto con il nome di "effetto Pomeranchuk".

Applicazioni della criogenia. - L'uso della c. in molti settori della ricerca, dell'industria, della medicina, ecc. ha favorito un rapido sviluppo di questo campo soprattutto negli ultimi decenni. L'impulso più cospicuo a questo sviluppo è stato dato dalla costruzione dei grandi vettori spaziali: l'uso di ossigeno e idrogeno liquidi per la propulsione (alcune migliaia di t. per un razzo del tipo Saturn) e di elio liquido per alcune attrezzature di bordo, hanno favorito la nascita di un'industria criogenica che è in continua espansione. Le applicazioni della superconduttività, che stanno diventando sempre più vaste e interessanti, sono possibili solo grazie alle temperature raggiungibili con l'elio liquido. Una particolare applicazione delle basse temperature si ha nella ricerca delle onde gravitazionali (v. gravitazionali, onde, in questa Appendice). Nel campo medico è in sviluppo la criochirurgia e la conservazione criogenica di vari tessuti biologici quali lo sperma animale per la fecondazione artificiale, la pelle e il sangue, anche se per quest'ultimo esistono ancora problemi pratici da risolvere. Un'altra tecnica medica che è attualmente allo studio è la magnetocardiografia, la registrazione cioè degl'impulsi magnetici del cuore analogamente a quanto si fa per gl'impulsi elettrici (elettrocardiografia). Gl'impulsi magnetici sono molto deboli e per rivelarli è necessario un magnetometro che funziona con un sensore superconduttore alle temperature dell'elio liquido.

Bibl.: Per gli aspetti tecnologici più recenti: D. D. Osheroff, R. C. Richardson, D. M. Lee, in Physical review letters, vol. 28 (1972), p. 885; A. J. Legget, in Reviews of modern physics, vol. 47 (1975), p. 331; J. C. Wheatley, ibid., vol. 47 (1975), p. 415. Per una visione più generale della fisica delle basse temperature: R. W. Vance, Cryogenic technology, New York e Londra 1963; G. G. Haselden, Cryogenic foundamentals, ivi 1971; O. V. Lounasma, Experimental principles and methodes below I K, ivi 1974.