Superfluide - Définition et Explications

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 (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il...).

Point (Graphie) Lambda

Diagramme de phase de l'hélium

Les physiciens mentionnés ci dessus ont constaté qu'en dessous de la température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) critique de 2,17 Kelvin (Le kelvin (symbole K, du nom de Lord Kelvin) est l'unité SI de température thermodynamique. Par...), (soit -270,98°C), ce que nous appelons le point lambda (λ), l'hélium 4 subissait une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la...). Il passait d'un état liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) 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 (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...), ce qui ne pouvait s'expliquer que par une faible viscosité.

Des expériences plus spécifiques à la mécanique des fluides (La mécanique des fluides est la branche de la physique qui étudie les écoulements de fluides...) montrèrent ensuite que l'écoulement de cet hélium dans un tuyau était sensiblement indépendant de la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) appliquée sur les parois du tuyau, et de plus 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.

En bref, un liquide est dit superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première...) s’il n'oppose aucune résistance à l'écoulement. En conséquence, les solides qui se meuvent dedans ne subissent aucun frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre...) visqueux.

Propriété d'un superfluide

D'autres propriétés remarquables d'un superfluide sont l'existence d'une conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des...) infinie et la présence de tourbillons possédant une vorticité quantifée. Du point de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) théorique, on peut décrire l'hydrodynamique d'un superfluide par un modèle à deux fluides, le fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) normal qui possède une viscosité non-nulle et le superfluide de viscosité nulle. Lorsque la température diminue, la fraction superfluide augmente et la fraction normale diminue. En dessous du point λ, l'hélium superfluide acquiert 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 exactement un superfluide.

Modèle des deux fluides

Le principe de ce modèle dit que l'hélium superfluide est, en réalité, l'interpénétration, le mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses...), de deux fluides aux propriétés très différentes. Il se composerait d'un fluide normal et d'un superfluide. Le fluide normal se compose d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) n'ayant pas subi la condensation (La condensation est le nom donné au phénomène physique de changement d'état de la matière qui...). Ils occupent donc, des états différents de l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus...) et les atomes qui le composent sont donc localisés. Le superfluide, lui, est indentifié au condensat. C’est-à-dire que l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des atomes sont compressés dans l'état fondamental habituel. Contrairement au fluide normal, ses particules sont complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) délocalisées, du point de vue quantique.
Le fait que l'hélium soit composé de ces deux éléments, n'est bien sûr 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 (Le noyau d'un atome est constitué en première approche de protons et de neutrons. En physique...) rare de l'hélium, l'hélium 3, à une température de 2mK environ, bien inférieure à la température de transition superfluide mesurée dans l'hélium 4. Pour cette découverte, le prix Nobel de physique (Le prix Nobel de physique est une récompense gérée par la Fondation Nobel, selon les...) 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, alors que les atomes d'hélium 3 sont des fermions, ce qui fait que leur comportement à très 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. Toutefois, contrairement au cas du gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) de Bose idéal (En mathématiques, un idéal est une structure algébrique définie dans un anneau....), dans l'hélium 4 la répulsion entre les atomes est très forte, et même à très basse température, seulement 10% des atomes sont dans le condensat.

Au contraire, à cause de son caractère fermionique, l'hélium 3 à très basse température forme un liquide de Fermi. C'est l'existence d'une très 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 similaire conduit à la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par...) dans les métaux. Dans ce dernier cas, les particules formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un état superfluide sont des paires d'électrons ("paires de Cooper"), et l'absence de viscosité se traduit par une absence de résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...) électrique. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des phases superfluides de l'hélium 3 est une extension de la théorie BCS développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) par Balian, Werthamer, Anderson, Brinkmann, Morel et Leggett.

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