La matière dans tous ses états
A très basse température, on constate un comportement original : la superfluidité.
Les expériences
En 1937 on découvre qu'en dessous de 2,18 K (son point lambda λ), l'hélium-4, qui est un boson, effectue une transition de phase et adopte un comportement surprenant : il arrête de bouillir et devient superfluide. Sa viscosité tombe drastiquement, et sa conductivité thermique augmente tout aussi brutalement.
La phase superfluide est en fait un mélange de la composante normale et superfluide.
La mesure de la chaleur spécifique (= la quantité de chaleur à injecter pour augmenter d'un degré un gramme de matière) a donné le nom au point λ
La valeur tombe à zéro quand on va vers le zéro absolu : la conductivité thermique devient infinie.
Bien plus tard, en 1970, l'hélium-3 est découvert aussi superfluide en dessous de 2 mK (à une température bien plus basse que les 2 K de l'hélium-4).
Supraconducteur de chaleur
On constate que la chaleur est transportée quasiment instantanément, ou encore sa résistivité thermique devient nulle. Vraiment nulle ? Ce n'est pas bien clair dans ce que j'ai pu apprendre sur le sujet.
On comprend dans certaines expériences que le transport de chaleur se fait comme les caloducs où il y a changement de phase de l'hélium-4 d'un côté et de l'autre. Pas vraiment un transport de chaleur pur et dur.
Je me demande si le transport de chaleur pourrait être plus rapide que la lumière. A priori non, mais bon, on a déjà vu des choses plus bizarres en mécanique quantique comme l'intrication, et là, on a un comportement collectif...
Pas d'ébullition
L'hélium-4 arrête de bouillir en dessous de la température de transition. La chaleur est transférée tellement rapidement que la vaporisation arrive uniquement à la surface libre, et aucune bulle n'apparait au sein du liquide.
Fuite par capillarité
L'hélium-4 grimpe aux parois par capillarité sans aucune résistance, passe dans des tuyaux sans aucun frottement visqueux, quel que soit le diamètre.
Effet fontaine
Il suffit de chauffer extrêmement légèrement de l'hélium-4 pour provoquer l'effet fontaine, un phénomène inexplicable avec un liquide normal.
Comme la chaleur est quasiment instantanément propagée, il ne reste que la pression qui doit augmenter pour compenser, d'où l'expulsion spectaculaire du liquide.
Rotation et vortex
La mise en rotation est difficile car on ne peut pas faire tourner l'onde comme ça, elle est rigide. Si elle tourne, alors on aura un nombre entier de longueurs d'onde pour former un tour. Alors, en allant du centre au bord, on aura 1, puis 2, puis 3 longueurs d'onde, et ce serait alors des couronnes. Mais il est énergétiquement plus favorable de faire une ligne, du coup on a plein de petits vortex qui se forment, tous de même taille, avec un trou au milieu, et dépendants de la constante de Planck.
À gauche, La fréquence de rotation est en dessous d’une fréquence critique et rien ne se produit.
Puis juste au-dessus de la fréquence critique, le premier vortex apparaît.
En augmentant la fréquence un réseau régulier de vortex se forme.
La vitesse critique de Landau
Un flux sans frottement se produit jusqu'à la vitesse critique de Landau. Si un objet dans un superfluide dépasse cette vitesse, il génère des excitations élémentaires du milieu appelées rotons (un genre d'ondes sonores) qui absorbe une partie de l’énergie de la particule en mouvement, qui ralentit : la viscosité augmente. Dans le cas de l’hélium-4, la vitesse est de ~58 m/sec.
Théories
La superfluidité de l'hélium-4 s'explique par le fait que c'est un boson à la base, et qu'il se comporte comme un condensat de Bose-Einstein.
L'atome d'hélium-3 n'est pas un boson, mais dans ce cas, deux atomes ont une interaction et forment une paire (comme les paires de Cooper en supraconductivité), et la paire devient un boson. Il a fallu atteindre des valeurs bien plus faibles en température pour observer le phénomène.
C'est souvent qu'on observe la superfluidité et un condensat de Bose-Einstein en même temps, mais ce n'est pas forcé, on peut avoir l'un sans l'autre (1D, 2D / gaz parfait, systèmes désordonnés).
[2017] Un effet similaire au comportement superfluide a été montré avec de la lumière et des polaritons par Stéphane Kéna-Cohen, de Polytechnique Montréal, et Daniele Sanvitto, du CNR Nanotec.
dans un régime supersonique et superfluide.
- Un superfluide de lumière Polytechnique Montreal
- Un historique détaillé de toute l'histoire : [2016] Une découverte dans la tourmente: la superfluidité Sébastien Balibar
J'avoue être resté un peu sur ma faim concernant la superfluidité et la superconduction thermique. Les articles sur le sujet s'embarquent souvent dans des calculs inconsidérés, sans explications physiques claires, enfin suffisamment claires pour mon cerveau embrumé. Cette page en est d'ailleurs le reflet.
Je vous invite à continuer avec la supraconductivité, le phénomène le plus connu, où les électrons de conduction se la jouent collectifs.