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REFRIGERADOR DE DILUCION

Todo comienza 1868, cuando Jules Janssen y Norman Lockyer descubrieron el Helio. A finales del siglo XIX, dos de los físicos experimentales más eminentes de la época, James Dewar y Heike Kamerlingh-Onnes, comenzaron una carrera para licuar el nuevo elemento. Carrera que ganó el holandés en 1908, cuando consiguió Helio líquido por vez primera a 4.2 Kelvin. Laimportancia de este logro para el futuro de la física experimental a bajas temperaturas fue de proporciones gigantescas. Los métodos más habituales para conseguir frío por aquella época eran dos: la expansión de un gas comprimido y la evaporación de un líquido inducida gracias al bombeo de su vapor, siendo este último método el más efectivo.
Dado un método de enfriamiento, uno puede seguir enfriando(teóricamente) mientras le quede entropía en el sistema. Aplicado esto al enfriamiento por evaporación de un líquido, es fácil ver que mientras quede presión de vapor sobre la superficie del líquido nos será posible seguir bombeando dicho vapor y estimular la producción de vapor nuevo, extrayendo así calor del sistema y provocando su enfriamiento. Sin embargo, llega un momento en que se alcanzatemperaturas tan bajas que la presión de vapor saturada se hace cero. Nos quedamos sin entropía y se acabó lo que se daba. Con Oxígeno, por ejemplo, se puede llegar al orden de las varias decenas de Kelvin mediante bombeo. Con el Hidrógeno, hasta más o menos los 10 Kelvin. El problema de estos dos gases es que son muy reactivos y existe el riesgo de echar a volar sin billete de vuelta si se halla en ellugar erróneo en el momento equivocado. Una alternativa intermedia y segura era el Nitrógeno. Sin embargo, con la licuefacción del Helio, se halló que podían alcanzarse temperaturas del orden de 1 Kelvin mediante bombeo en dicho líquido. No hace falta mucha imaginación para comprender todo el abanico de nuevos experimentos que se hicieron posibles tras el descubrimiento de Kamerlingh-Onnes.
Cuandose habla de Helio sin apellido, me estoy refiriendo al 4He (dos protones y dos neutrones). El otro isótopo habitual, 3He, cuenta con dos protones y un solo neutrón. El uso de 3He en lugar de 4He permite alcanzar temperaturas del orden de 300 mK mediante bombeo. Esto es debido a que el 3He tiene una presión de vapor notablemente mayor que el 4He a la misma temperatura. Además de eso, la capacidadcalorífica del 3He cambia mucho menos por debajo de los 2 K que la del 4He, lo que hace que cueste menos trabajo enfriar (se tiene que evaporar menos 3He, alrededor del 20%, para llegar a 300 mK, momento en que la presión de vapor pasa a ser nula a efectos prácticos). El isótopo ligero del Helio presenta, sin embargo, dos desventajas frente al 4He. A saber, el calor latente de evaporación es muchomenor que el del 4He (lo que implica menos eficiencia en la extracción de calor del sistema). Y, por otra parte, está el precio del 3He, del que ya he hablado por aquí en alguna ocasión. En breve, si se abre una válvula que no debe y se le escapa el 3He -regla número cero de la vida
. Hasta 1951, concretamente. Aquel año, en la Conferencia sobre bajas temperaturas celebrada en Oxford, HeinzLondon anunció una idea que iba a revolucionar la ciencia de la criogenia para siempre. La idea era bombear 3He en un medio que fuera de mayor pureza que el “vacío”. ¿Puede haber un medio con mayor pureza que el vacío? Pues resultó que sí, al menos, a efectos de bombeo: un superfluido. En efecto, si sumergimos3He en un superfluido resulta que podemos seguir bombeando incluso a temperatura cero. Y comosuperfluidos sólo existen dos, el mismo 3He y el 4He, lo que se hace es usar una mezcla de ambos isótopos en cantidades relativas adecuadas.

ésta es la esencia del funcionamiento de un refrigerador de dilución. La figura representa la fracción molar de 3He en una mezcla 3He-4He en función de la temperatura. Como se puede ver , incluso a temperatura cero aún se tiene 3He para seguir...