Des physiciens de l’université de Lancaster (Royaume-Uni) rapportent dans le journal Nature Communication comment ils sont (presque) parvenus à toucher du doigt un superfluide d’hélium 3 (3He). Presque parvenus et non parvenus parce que pour le rendre superfluide, les chercheurs doivent maintenir l’hélium à une température de l’ordre d’environ un dix millième de degré au-dessus du zéro absolu. Il est donc Impossible d’envisager réellement y plonger un doigt.
La superfluidité est un état de la matière dans lequel celle-ci se comporte comme un fluide dépourvu de toute viscosité. Découverte en 1937 par Piotr Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John F. Allen et A. Don Misener, elle a d’abord été décrite comme une propriété de l’hélium à très basse température) lui permettant de s’écouler à travers des canaux capillaires ou des fentes étroites sans viscosité. La viscosité peut être définie comme l’ensemble des phénomènes de résistance au mouvement d’un fluide pour un écoulement avec ou sans turbulence. La viscosité diminue la liberté d’écoulement du fluide et dissipe son énergie. Wikipédia
Les physiciens auteurs de l’article ont donc mis en œuvre un protocole complexe pour obtenir un superfluide d’hélium 3 (3He) d’une taille suffisante pour y plonger une sonde de la taille d’un doigt susceptible de fournir des informations thermodynamiques. La sonde a montré que la majeure partie du superfluide se comporte comme un vide. Ainsi si l’on y plongeait le doigt, une surface en deux dimensions se formerait autour et ce n’est donc qu’avec un fluide en deux dimensions que l’interaction se ferait.
Un liquide est dit superfluide s’il n’oppose aucune résistance à l’écoulement. En conséquence, les solides qui se meuvent dans le liquide ne subissent aucun frottement visqueux.
Un liquide superfluide placé dans un récipient va s’échapper par capillarité en remontant les parois du récipient et en s’écoulant en dessous.
Les physiciens mentionnés ci-dessus ont constaté qu’en dessous de la température critique d’environ 2,18 kelvins, (soit −270,97 °C), qui est appelé le point lambda (λ), l’hélium 4 subissait une transition de phase. Il passait d’un état liquide à un autre aux propriétés sensiblement différentes. En effet, l’expérience, confirmée par la suite, montra que ce nouvel état de l’hélium conduisait très bien la chaleur, ce qui ne pouvait s’expliquer que par une faible viscosité.
Des expériences plus spécifiques à la mécanique des fluides montrèrent ensuite que l’écoulement de cet hélium dans un tuyau était sensiblement indépendant de la pression appliquée sur les parois du tuyau. On a également montré que cet écoulement était indépendant de la section du tuyau en question.
Ceci ne pouvait s’expliquer que par une absence totale de viscosité, d’où le nom de superfluidité.
Un liquide est dit superfluide s’il n’oppose aucune résistance à l’écoulement. En conséquence, les solides qui se meuvent dans le liquide ne subissent aucun frottement visqueux.
Un liquide superfluide placé dans un récipient va s’échapper par capillarité en remontant les parois du récipient et en s’écoulant en dessous1.
Référence
Transport of bound quasiparticle states in a two-dimensional boundary superfluid
- Samuli Autti, and others
volume14, Article number: 6819 (2023)
Abstract
The B phase of superfluid 3He can be cooled into the pure superfluid regime, where the thermal quasiparticle density is negligible. The bulk superfluid is surrounded by a quantum well at the boundaries of the container, confining a sea of quasiparticles with energies below that of those in the bulk. We can create a non-equilibrium distribution of these states within the quantum well and observe the dynamics of their motion indirectly. Here we show that the induced quasiparticle currents flow diffusively in the two-dimensional system. Combining this with a direct measurement of energy conservation, we conclude that the bulk superfluid 3He is effectively surrounded by an independent two-dimensional superfluid, which is isolated from the bulk superfluid but which readily interacts with mechanical probes. Our work shows that this two-dimensional quantum condensate and the dynamics of the surface bound states are experimentally accessible, opening the possibility of engineering two-dimensional quantum condensates of arbitrary topology.
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