Superfluide

La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément avec, semble-t-il, John F. Allen et A. Don Misener, avec l'hélium.

Point Lambda

Les physiciens mentionnés ci-dessus ont constaté qu'en-dessous de la température critique de 2, 17 kelvins, (soit -270, 98°C), qui est nommé le point lambda (λ), l'hélium 4 subissait une transition de phase. Il passait d'un état liquide à un autre aux propriétés énormément différentes. En effet, l'expérience, confirmée ensuite, montra que ce nouvel état de l'hélium conduisait particulièrement 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 énormément indépendant de la pression appliquée sur les parois du tuyau, et qui plus est 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.

Finalement, un liquide est dit superfluide s'il n'oppose aucune résistance à l'écoulement. En conséquence, les solides qui se meuvent dedans ne subissent aucun frottement visqueux.

Propriété d'un superfluide

D'autres propriétés remarquables d'un superfluide sont l'existence d'une conductivité thermique illimitée et la présence de tourbillons possédant une vorticité quantifiée. Du point de vue théorique, on peut décrire l'hydrodynamique d'un superfluide par un modèle à deux fluides, le fluide normal qui possède une viscosité non-nulle et le superfluide de viscosité nulle. Quand la température diminue, la fraction superfluide augmente et la fraction normale diminue. En dessous du point λ, l'hélium superfluide prend la qualité de supraconducteur de chaleur, c'est-à-dire qu'il ne supporte pas la moindre différence de température entre deux de ses parties. Sans quoi, l'hélium n'est plus précisément un superfluide.

Modèle des deux fluides

Le principe de ce modèle dit que l'hélium superfluide est , en réalité, l'interpénétration, le mélange, de deux fluides aux propriétés particulièrement différentes. Il se composerait d'un fluide normal et d'un superfluide. Le fluide normal se compose d'atomes n'ayant pas subi la condensation. Ils occupent par conséquent des états différents de l'état essentiel et les atomes qui le composent sont par conséquent situés. Le superfluide, lui, est identifié au condensat. C'est-à-dire que la totalité des atomes sont compressés dans l'état essentiel habituel. Contrairement au fluide normal, ses particules sont totalement délocalisées, du point de vue quantique.
Le fait que l'hélium soit composé de ces deux éléments n'est évidemment qu'un modèle dont la validité reste à prouver.

D'autres superfluides

Dans les années 70, Douglas Osheroff, David M. Lee et Robert C. Richardson ont découvert un état superfluide pour l'isotope rare de l'hélium, l'hélium 3, à une température de 2mK à peu près, bien inférieure à la température de transition superfluide mesurée dans l'hélium 4. Pour cette découverte, le prix Nobel de physique leur a été attribué en 1996.

La différence entre les deux isotopes de l'hélium est que les atomes d'hélium 4 sont des bosons, tandis que les atomes d'hélium 3 sont des fermions, ce qui fait que leur comportement à particulièrement basse température suit des lois radicalement différentes.

Comme l'a suggéré Fritz London dans les années 40, la formation d'un état superfluide dans l'hélium 4 correspond à une condensation de Bose-Einstein des atomes d'hélium qui sont des particules quantiques bosoniques. Cependant, contrairement au cas du gaz de Bose parfait, dans l'hélium 4 la répulsion entre les atomes est particulièrement forte, et même à particulièrement basse température, uniquement 10% des atomes sont dans le condensat.

Au contraire, à cause de son caractère fermionique, l'hélium 3 à particulièrement basse température forme un liquide de Fermi. C'est l'existence d'une particulièrement faible attraction entre les atomes d'hélium 3 qui produit un appariement des atomes fermioniques d'hélium 3 en dessous de la transition superfluide. Un phénomène identique conduit à la supraconductivité dans les métaux. Dans ce dernier cas, les particules formant un état superfluide sont des paires d'électrons ("paires de Cooper"), et l'absence de viscosité se traduit par une absence de résistivité électrique. La théorie des phases superfluides de l'hélium 3 est une extension de la théorie BCS développée par Balian, Werthamer, Anderson, Brinkmann, Morel et Leggett.

Références

• Hydrodynamique à deux fluides dans un superfluide : Lev Landau et Evguéni Lifchitz, Physique théorique, tome 6 : Mécanique des fluides, éd. MIR, Moscou [détail des éditions]
• Superfluidité : Lev Landau et Evguéni Lifchitz, Physique théorique, tome 9 : Physique statistique (II) , éd. MIR, Moscou [détail des éditions]
• Superfluidité : P. W. Anderson Basic Notions of Condensed Matter Physics (Addison-Wesley)
• Superfluides : Diagrammes de Phase de l'hélium 3 et de l'hélium 4
• Cours en ligne (en anglais) par N. B. Kopnin sur la supraconductivité et la superfluidité
• Hélium 3 : Osheroff, Lee, et Richardson sur le site de la fondation Nobel
• Hélium 3 : Articles originaux de Osheroff, Lee, Richardson

Voir aussi

Fluide Fluide parfait Hélium

Condensat de Bose-Einstein Phase (matière) Supersolide Effet fontaine

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