Quand un superfluide passe le mur du son

Publié par Adrien le 04/03/2020 à 08:00
Source: CNRS INP
Des physiciennes et des physiciens ont réalisé pour la première fois l'écoulement superfluide d'un gaz quantique à une vitesse très largement supersonique. Le gaz en rotation dans une bulle magnétique est expulsé du centre par la force centrifuge et adopte spontanément une forme annulaire. Ces résultats éclairent la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des superfluides en rotation ultra-rapide.


Profil de densité de l'écoulement annulaire à la vitesse (On distingue :) de 7 mm/s (ce qui correspond à Mach 15) de 20 000 atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) de rubidium (Le rubidium est un élément chimique, de symbole Rb et de numéro atomique 37.) à quelques dizaines de nanokelvins. Le rayon de l'anneau est de 30 micromètres. L'image en fausse couleur (Les techniques dites de fausse couleur sont utilisées en imagerie astronomique ou médicale, ou...) est obtenue par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) résonnant.
© R. Dubessy, LPL (CNRS/Univ. Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...) Nord)

Un superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...) est un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) parfaitement non visqueux qui, à vitesse modérée, peut s'écouler sans dissipation, c'est-à-dire, à l'échelle des atomes, sans que des excitations ne perturbent leur mouvement. La superfluidité, comme la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...), est ainsi une manifestation à une échelle macroscopique de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) qui décrit le fluide à l'échelle microscopique. On la rencontre à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), comme à environ 2 kelvins dans l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) ou à quelques centaines de nanokelvins dans les nuages d'atomes ultra-froids appelés gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) quantiques. Qu'en est-il si l'écoulement superfluide devient très rapide ? Au-delà d'une vitesse d'écoulement critique, proche de la vitesse du son dans le fluide, les excitations deviennent possibles: il y a alors dissipation et le fluide perd sa superfluidité. De plus, dépasser la vitesse du son facilite l'occurrence de perturbations importantes comme des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible...) de chocs provoquées par les moindres aspérités sur le trajet du fluide. Créer un écoulement superfluide supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) est donc une véritable gageure !

Des physiciennes et physiciens du Laboratoire de physique des lasers (LPL, CNRS/Univ. Sorbonne Paris Nord) ont relevé le défi et ont pour la première fois créé un écoulement supersonique d'un gaz quantique superfluide composé d'atomes de rubidium à une température de l'ordre de quelques dizaines de nanokelvins. Pour cela, ils ont confiné le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en...) à l'aide d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) très régulier, pour qu'il se trouve comme dans une bulle extrêmement lisse de 100 micromètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) environ. Des champs magnétiques radiofréquences permettent de mettre le gaz en rotation. La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) centrifuge pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) alors les atomes sur les parois de la bulle, créant un trou au centre et donnant au nuage une forme d'anneau dont la rotation persiste plus d'une minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un...). La bulle est tellement lisse que des vitesses très élevées, jusqu'à 20 fois la vitesse du son, sont atteintes tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en préservant la superfluidité ! Ces résultats sont parus dans la revue Physical Review Letters.

Les expérimentateurs ont également étudié une excitation de cet anneau en rotation lui donnant une forme légèrement elliptique qui elle-même tourne lentement. Alors que les théoriciens prévoient que cette déformation devrait toujours tourner dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) à celui de l'écoulement, ils ont observé qu'au-delà d'une certaine vitesse d'écoulement la déformation tournait au contraire dans le même sens que les atomes. Dans une prochaine étape, l'étude des mécanismes de dissipation de la rotation à partir des vitesses supersoniques obtenues permettra de confronter à l'expérience les différentes théories publiées. À plus long terme, c'est le "tourbillon quantique géant" que doit devenir l'anneau au-delà d'une certaine vitesse de rotation, la valeur de celle-ci étant encore débattue parmi les théoriciens, qui sera l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) d'étude. La démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) faite ici ouvre ainsi de nouvelles perspectives à l'étude des gaz quantiques en rotation rapide, jusque-là une source d'inspiration féconde réservée à la physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois...).

Références:
Supersonic rotation of a superfluid: a long-lived dynamical ring.
Y. Guo, R. Dubessy, M. de Goër de Herve, A. Kumar, T. Badr, A. Perrin, L. Longchambon, et H. Perrin, Physical Review Letters, le 17 janvier 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.025301.
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.
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