À des températures approchant de zéro absolu, certains liquides déversent toute friction interne, se déversant sans résistance et présentant des comportements qui défient la physique classique. Ce phénomène, observé pour la première fois dans l'hélium liquide-4 dans les années 1930, continue de remettre en question et d'affiner notre compréhension des états quantiques de la matière. De l'escalade des murs de son contenant à la formation de tourbillons quantifiés, un superflu se comporte moins comme un liquide conventionnel et plus comme une entité quantique unique et cohérente. L'étude de la superfluidité éclaire non seulement les règles étranges du monde quantique, mais aussi conduit à des innovations dans la mesure de précision, la cryogénie, et notre compréhension d'objets astrophysiques exotiques tels que les étoiles neutrons.

Qu'est-ce que la superfluidité?

La superfluidité est l'état dans lequel un fluide peut couler sans viscosité mesurable. Dans l'expérience quotidienne, les liquides comme l'eau ou l'huile résistent au mouvement par friction interne – viscosité – dissipant progressivement l'énergie cinétique comme chaleur. Un fluide superflu, en revanche, subit une friction interne nulle. Une fois mis en mouvement, il continue à bouger indéfiniment, même à travers des canaux microscopiques qui bloqueraient un fluide normal.

La découverte historique

Le voyage vers la superfluité a commencé par la liquéfaction de l'hélium en 1908 par le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes. Mais ce n'est qu'au début des années 1930 que les chercheurs ont remarqué quelque chose de particulier : l'hélium liquide-4 a connu une augmentation soudaine de la conductivité thermique et un changement radical du comportement d'écoulement à des températures inférieures à 2,17 Kelvin. En 1937, simultanément et indépendamment, Pyotr Kapitza en Union soviétique, et John F. Allen et Don Misener au Canada, ont annoncé que l'hélium liquide-4 pouvait circuler à travers des capillaires extrêmement étroits sans résistance mesurable. Kapitza a inventé le terme « superfluidity » pour décrire cette propriété, et son travail lui a valu le Prix Nobel de physique en 1978- Oui.

La température critique à laquelle l'hélium-4 passe d'un liquide normal à un fluide supraactif est appelée la température critique de l'hélium-4. Lambda point (λ-point), nommé pour la forme de la courbe de chaleur spécifique qui ressemble à la lettre grecque lambda. Cette transition est une transition de phase de second ordre, marquant l'apparition de la condensation Bose-Einstein dans un système fortement interagissant.

Quels matériaux deviennent superflus?

La superfluidité n'est pas limitée à l'hélium-4. L'hélium-3 isotopique devient également superflu, mais à une température beaucoup plus basse (environ 2,6 millikelvin) parce que sa nature fermionique nécessite des mécanismes d'appariement analogues à la supraconductivité. Plus récemment, la superfluidité a été observée dans des gaz ultrafroids d'atomes alcalins, comme le lithium et le potassium, à des températures de la gamme nanokelvine. États exotiques de la matière, comme les plasmas de quark-gluon produits dans les collisions de particules, sont censés présenter un flux presque inviscide rappelant la superfluité.

La mécanique quantique derrière la superfluidité

La superfluidité est un phénomène quantique macroscopique, ce qui signifie que les effets quantiques se limitent normalement à l'échelle atomique et deviennent visibles à l'échelle humaine. La clé pour comprendre cela réside dans deux concepts entrelacés : la condensation Bose-Einstein et le modèle à deux fluides.

Condensation de Bose–Einstein et rôle des statistiques

Les particules dans la nature se répartissent en deux catégories : les bosons (spin entier) et les fermions (spin demi-spin entier). Les atomes d'hélium-4 sont des bosons. Lorsqu'ils sont refroidis à des températures suffisamment basses, une grande partie de ces bosons s'effondre dans le même état quantique, formant un condensat de Bose–Einstein (BEC).

Comme tous les atomes du condensat partagent la même phase, le fluide ne peut pas dissiper l'énergie par des collisions atomiques aléatoires – il n'y a aucun trouble au niveau quantique. Le critère Landau de la superfluidité indique que si la vitesse d'écoulement est inférieure à la vitesse du son dans le fluide, aucune excitation élémentaire (phonons) ne peut être créée, et que l'écoulement sans friction persiste.

Le modèle à deux volets

Même en dessous du point λ, l'hélium n'est pas entièrement superflu. Le système est décrit par le modèle à deux fluides, qui traite le liquide comme un mélange d'un composant superfluide et d'un composant normal. Le composant superfluide coule sans viscosité, tandis que le composant normal se comporte comme un fluide visqueux ordinaire. Les fractions relatives de ces composants varient avec la température : à zéro absolu, tout l'hélium est superflu; au point λ, la fraction superfluide disparaît. effet fontaine, où un gradient de température conduit l'hélium à jaillir comme une fontaine, et la Film en rouleaux, où une fine couche de superfluide monte les murs de son contenant.

Vortices quantifiés

Une des propriétés quantiques les plus frappantes des superfluides est la quantification de la circulation. Lorsqu'un superfluide tourne, il ne peut pas tourner comme un corps solide. Au lieu de cela, il forme des vortices microscopiques, chacun portant un multiple entier de constante Plancks divisée par la masse de l'atome d'hélium. Ces vortices quantifiés sont stables, et leurs carottes sont dépourvues de superfluide. L'observation d'un ensemble de tels vortices dans un superfluide rotatif est une preuve directe de la nature quantique macroscopique du système.

Ce phénomène est analogue à la quantification du flux dans les supraconducteurs de type II.

Propriétés clés des superfluides

Le comportement des superfluides défie l'intuition quotidienne. Ci-dessous sont les propriétés les plus remarquables qui définissent cet état de la matière.

Viscosité zéro

La marque de la superfluidité est l'absence totale de viscosité. Un superfluid peut circuler à travers un capillaire d'un diamètre de quelques micromètres sans aucune chute de pression. Si un superfluid est placé en tournant dans un contenant, il continuera théoriquement à tourner pour toujours. En pratique, les pertes d'énergie dues aux interactions avec les parois du contenant ou à la génération d'excitations le ralentiront éventuellement, mais ces processus sont extrêmement lents par rapport aux fluides normaux.

Flux de films (Le film en rouleau)

Lorsqu'un récipient d'hélium superflu est partiellement immergé dans un bain du même liquide, un mince film (environ 30 nanomètres d'épaisseur) s'infiltre dans les parois, sur le bord, et s'écoule vers l'extérieur. Cela se produit parce que le composant superfluide peut grimper les parois du récipient contre la gravité, entraîné par la tension de surface et l'absence de viscosité.

Effet de fontaine et effet thermomécanique

Une différence de température dans un superfluide crée une différence de pression. Si un bouchon capillaire ou poreux relie une région chaude à une région froide, le superfluide s'écoule du froid au chaud, en construisant une pression qui peut éjecter une fontaine de plusieurs centimètres de haut. Pompe à fontaines superflues, qui peut propulser l'hélium liquide sans déplacer de parties.

Transport thermique extraordinaire

L'hélium superfluide (He II) conduit la chaleur des milliers de fois mieux que le cuivre, car la chaleur est transportée non par diffusion d'atomes mais par contre-écoulement de composants superfluides et normaux. Cette propriété fait de He II un réfrigérant idéal pour des applications à très basse température, comme les aimants supraconducteurs dans les accélérateurs de particules et les machines IRM.

Deuxième son

Contrairement au son ordinaire (ondes de pression), les superfluides supportent un second type d'onde connu sous le nom de deuxième son, qui est une onde de température. Dans le second son, les composants suprafluides et normaux oscillent hors de phase, provoquant des variations périodiques de température. La vitesse du second son fournit des informations cruciales sur la densité et la dynamique des deux composants fluides.

Les superfluides dans la nature et la technologie

La superfluidité n'est pas seulement une curiosité de laboratoire, elle apparaît dans les systèmes naturels et a inspiré des technologies pratiques.

Les étoiles de neutrons et la matière nucléaire

À ces densités extrêmes, les neutrons (qui sont des fermions) se joignent pour former des paires bosoniques de Cooper, analogues aux électrons d'un supraconducteur. Le suprafluide neutron qui en résulte pénètre la croûte intérieure et le noyau de l'étoile. Cette superfluidité est censée expliquer les changements soudains de spin (glitches) observés dans certains pulsars : le composant superfluide tourne à vitesse constante, tandis que la croûte étoile ralentit, et parfois la croûte interagit avec le superfluide, ce qui fait que l'étoile saute en spin. Limiter les modèles de matière dense et les sources d'ondes gravitationnelles- Oui.

Cryogènes et aimants supraconducteurs

Comme l'hélium superfluide a une conductivité thermique aussi élevée et une faible viscosité, il est utilisé pour refroidir les grands aimants supraconducteurs dans des installations comme le Grand Colleur Hadron du CERN. Les aimants sont baignés dans He II à 1,9 Kelvin, permettant d'enlever efficacement la chaleur des enroulements de bobines. Cela permet aux champs magnétiques élevés nécessaires pour diriger les faisceaux de particules.

Capteurs quantiques et gyroscopes

La sensibilité du flux de superfluides à la rotation en fait un candidat pour les gyroscopes ultra-précisions. Un gyroscope superfluide, basé sur la circulation quantifiée de l'hélium, peut détecter des rotations aussi petites que quelques centièmes de degré par heure. Ces dispositifs pourraient trouver des applications dans les tests de navigation et de physique fondamentale, comme la détection des effets de dragage de cadre prédits par la relativité générale.

Analogies en calcul quantique

La superfluidité sert de modèle pour le transport sans dissipation, un objectif clé dans le calcul quantique. La cohérence de la fonction d'onde superflue rappelle la cohérence nécessaire pour les qubits. Bien que non directement utilisé dans les ordinateurs quantiques, les principes de cohérence quantique macroscopique et d'interférence contrôlée des états quantiques dans les superfluides aident les chercheurs à développer un comportement analogue dans les circuits supraconducteurs et les ions piégés.

Recherche actuelle et orientations futures

La recherche sur la superfluidité continue de repousser les frontières, d'explorer de nouveaux systèmes et de s'approfondir dans la mécanique quantique.

Gaz atomiques ultrafroids

Grâce au refroidissement laser et au refroidissement par évaporation, les physiciens peuvent créer des condensats de gaz atomiques dilués de Bose-Einstein. Ces systèmes sont très turbulents : en ajustant les champs magnétiques, on peut contrôler les interactions entre les atomes, d'une forte attractivité à une forte répulsive, ce qui a permis aux scientifiques d'étudier la superfluidité dans divers régimes, y compris le croisement BEC-BCS (où les transitions superfluides de l'appariement bosonique à fermionique) et la formation de sols et de réseaux vortex.

Supersolides

Une supersolide est une phase paradoxale de matière qui possède simultanément l'ordre cristallin (un arrangement atomique périodique) et le flux de superfluides. D'abord prédit dans les années 1960, la supersolidité a été confirmée en 2017 dans des expériences avec des gaz dipolaires ultrafroids. Dans une supersolid, les atomes sont enfermés dans un réseau, mais, comme un superfluide, ils peuvent circuler sans friction à travers le cristal.

Superfluides non conventionnels

Au-delà de l'hélium, les chercheurs explorent la superfluidité dans d'autres systèmes. Par exemple, l'hydrogène polarisé par spin est censé devenir un superfluide à des températures inférieures à 1 microkelvin. De plus, les condensats d'exciton-polariton dans les semi-conducteurs présentent un comportement semblable à celui des superfluides à des températures plus élevées, bien qu'ils ne soient pas de vrais superfluides parce qu'ils se décomposent.

Connexions à la supraconductivité et aux phénomènes à haute teneur en thc

La superfluidité et la supraconductivité sont intimement liées : la supraconductivité est la superfluidité des fermions chargées (électrons). Comprendre le régime de couplage fort de la superfluidité peut fournir des informations sur le mécanisme des supraconducteurs à haute température. L'observation de vortices quantifiés et d'autres signatures suprafluides dans les supraconducteurs exotiques soutient l'idée que des mécanismes similaires d'appariement sont en cours de travail.

Matière noire et physique fondamentale

Certaines propositions spéculatives suggèrent que la matière noire axion pourrait former un condensat Bose–Einstein et se comporter comme un superfluide à échelles galactiques. Cette idée, connue sous le nom d'hypothèse de matière noire superfluide, suggère qu'un champ scalaire ultra-léger peut imiter les effets de la matière noire tout en expliquant la dynamique galactique.

Conclusion

La superfluidité révèle un monde où les règles de la mécanique quantique prennent le centre de la scène, permettant à un liquide de s'écouler sans résistance, de s'infiltrer dans des murs et de tourner en tourbillons discrets. De sa découverte en hélium liquide à ses incarnations modernes dans des gaz ultrafroids et son rôle hypothéqué dans les étoiles à neutrons et la cosmologie, la superfluidité continue de fasciner et d'informer. L'étude de ces fluides sans friction approfondit notre compréhension de la cohérence quantique, des transitions de phase et de la nature de la matière à basse température.