Les superfluides (physique)

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10 5 0 Les phases de l'hélium une onde est associée à chaque particule .

Lorsque la température diminue , la longueur de ces ondes devient de plus en plus grande, jusqu'à atteindre, voire dépasser l'espace qui existe entre les atomes .

A cet instant.

les ondes associées à chaque particule se synchronisent et le comportement des atomes devient collectif.

Cette phase porte aujourd'hui le nom de condensat de Bose-Einstein .

Ce condensat est particulièrement ordonné du fait du comportement collectif de ses atomes et non du fait de leur position dans l'espace.

Ce n'est qu'en 1995 que le condensat de Bose-Einstein a pu être réalisé en laboratoire.

En dessous d'une certaine température critique, les bosons que sont les atomes d'hélium 4 sont donc contraints de se déplacer en bloc et s'écoulent alors sans aucun frottement Les physiciens estiment pourtant que, même à de très Température (en Kelvin) ------------------------- "'" basses températures, et ce même si partir d'une certaine température critique, les atomes cessent d'évoluer indépendamment pour adopter un comportement collectif.

La matière devient alors particulièrement ordonnée.

Un superfluide s'écoule sans viscosité à la manière d'un supraconducteur qui conduit l'électricité sans résistance.

Les propriétés de superfluidité observées pour l'hélium 4 et pour l'hélium 3 sont tout à fait similaires.

Pourtant.

les chercheurs soupçonnent que leurs origines soient différentes.

En effet.

les physiciens ont pour habitude de séparer les particules en deux grands types obéissant à des lois totalement différentes : les bosons et les fermions.

Les bosons sont composés d'un nombre pair de particules élémentaires .

Les fermions, quant à eux.

en contiennent un nombre impair.

Ainsi, alors qu'à basse température, les bosons se regroupent dans un même état quantique, les fermions de leur côté, ne peuvent occuper que des états quantiques tous différents.

Les atomes d'hélium 4 sont des bosons.

Leur superfluidité peut être expliquée par un phénomêne quantique nommé condensation de Bose-Einstein .

Les atomes d'hélium 3, quant à eux.

sont des particules appelées fermions.

Leur superfluidité est justifiée par la généralisation de la théorie de la supraconductivité.

De manière générale, les physiciens pensent que l'hélium 2 est constitué d'un mélange d'atomes superfluides et d'atomes • normaux• .

Au fur et à mesure que la température baisse, la proportion d 'atomes superfluides contenus dans le mélange augmente .

li est également acquis que les atomes superfluides se trouvent dans leur état dit fondamental car de plus faible énergie.

Ils sont donc dépourvus d'énergie thermique ce qui peut expliquer certaines propriétés inhabituelles.

Concernant la viscosité nulle, elle serait expliquée par le fait que les atomes superfluides n'interagissent pas avec leurs compagnons.

Au sein du mélange, la circulation des atomes « normaux •, porteurs d'énergie thermique, vers des zones de température inférieure, et la circulation des atomes superfluides vers la zone plus chaude sont probablement responsables de la conductivité thermique élevée de l'hélium 2.

En 1925, Albert EJllSteln généralise des travaux initiés par Satyendra Nath Bose, un physicien indien, et prédit l'existence d'un état de la matière formé de bosons à une température extrêmement basse .

Dans ce nouvel état, les bosons s'accumulent dans un même état quantique, celui où leur énergie est la plus basse .

Les atomes deviennent alors indiscernables les uns des autres.

Car en physique quantique, l'ensemble du fluide présente des propriétés de superfluidité, la proportion d'atomes réellement condensés reste faible : elle est de l'ordre de 10 %.

UNE llllNSION DE 1A JHtollE BCS Au cœur d'un fluide formé de fermions, le principe de Pauli interdit aux particules d'occuper un état quantique identique et donc a priori de former un superfluide .

Pourtant.

en 1957, Joli• BMtlffn, Leon Cooper et Robert Schrieffer.

des chercheurs américains qui travaillent alors à l'explication du phénomène de supraconductivité (théorie BCS), démontrent que, en dessous d'une certaine température, les électrons forment des paires liées.

Les électrons étant des fermions, ils généralisent le principe de la supraconductivité aux fluides formés de telles particules.

Dans ces fluides, les paires de fermions s'écoulent sans dissipation d'énergie, c'est-à-dire avec une viscosité nulle.

Les fermions forment alors un superfluide .

La raison en est assez basique : l'association de deux fermions, particules composées chacune d 'un nombre de particules élémentaires impair, forme une nouvelle • particule • constituée désormais d'un nombre pair de particules élémentaires , tout comme les bosons.

L'hélium 3, contenant un neutron de moins que l'hélium 4, est un fermion .

Il devient superfluide à une température mille fois plus basse que l'hélium 4.

A ce moment là, les fermions se lient en paires, dites paires de Cooper, et deviennent alors des bosons susceptibles de se condenser dans leur état d'énergie la plus faible.

DES APPLICATIONS FONDAMENTALES ET PRATIQUES Ces dernières années, l'absence de viscosité présentée par les superfluides a permis aux physiciens d'imaginer de nouvelles expériences et techniques d'observation .

Pour étudier les molécules de gaz, les physiciens ont ainsi récemment mis au point une technique baptisée Superfluid Helium Drop/et Spectroscopy (SHeDS) .

Une technique reposant sur le fait qu'une molécule de gaz solvatée dans un superfluide a la possibilité de se mouvoir en totale liberté, exactement comme c'est le cas des molécules en phase gazeuse.

Dernièrement.

des scientifiques ont aussi utilisé la superfluidité pour ralentir drastiquement la vitesse de la lumière.

Une expérience de Lene Hau, un physicien danois, a ainsi montré que, lorsqu'elle passe au travers d'un superfluide , la /,,.,/èn ne circule qu'à 17 mètres par seconde contre près de 300 millions de mètres par seconde dans le vide .

LA Hvol.unoN CIYOGDllQUE Les superfluides présentant une conductivité thermique infinie , ils sont donc particulièrement efficaces lorsqu'il s'agit de refroidissement Ainsi , la cryogénie est la première application de la superfluidité.

Dans le secteur de l'astronomie par exemple, les instruments du lnfrored Astronomicol Satellite (IRAS), lancé en 1983 , ont été refroidis à une température de 1,6 K grace à la présence d'hélium superfluide .

Un refroidissement capital pour éviter les perturbations des instruments destinés à travailler dans le domaine du rayonnement infrarouge, 1---- --- -----_. ._ _______ ___ _ ......

__ ____ _____ --1 un rayonnement émis par des corps Refroidissement des atomes par laser Laser de gauche Laser de droite Atomes - - Les atomes sont soumis à deux faisceaux laser présentant des directions opposées .

Les atomes se dirigeant vers la droite absorbent les photons du laser venant de droite et sont ainsi ralentis et refroidis.

Le phénomène identique se déroule entre le laser de gauche et les atomes venant à sa rencontre.

chauds .

La cryogénie est également utile à la conservation des supraconducteurs à des températures très basses.

A leur conservation mais aussi à leur étude détaillée .

Mélangé à de l'hélium 3 non­ superfluide, l'hélium superfluide fournit en effet les quelques millikelvins indispensables à l'examen approfondi des propriétés des supraconducteurs mais aussi des semi-conducteurs, des verres ou encore du magnétisme .

Parmi les applications industrielles de la cryogénie, on compte l'extraction d'oxygène et d'azote de l'air.

L'oxygène qui est ainsi produit peut alors être utilisé dans les moteurs de fusées, pour permettre la vie dans les sous-marins ou dans les Nflns SJMfltnnt , on l'utilise aussi dans les chalumeaux à couper ou à souder ou encore dans le soufflage des fourneaux.

~azote quant à lui est utilis é dans la fabrication d'engrais et dans le conditionnement des aliments congelés.

Grace à la cryogénie, le transport de gaz naturels liquéfiés est également devenu possible.

Sans la cryogénie, pas d'hydrogène ni d'hélium liquides non plus dans les détecteurs de particules ou dans les puissantes électroaimants constitutifs des grands accélérateurs de particules.

Nouvelle venue dans le monde de la médecine, la chirurgie cryogénique est aujourd'hui utilisée dans le traitement de la maladie de Parkinson.

Cette technique repose sur le principe de la destruction sélective de tissus congelés à l'aide de petites sondes cryogéniques .

Une méthode également employée pour la destruction de tumeurs cérébrales ou pour inhiber le développement de cancers cervicaux.

Selon certaines études, la cryochirurgie améliorerait l'espérance de vie des malades d'en moyenne une à trois années.

LES LASUS Dl DEMAIN Les lasers sont des dispositifs aujourd'hui bien connus et largement utilisés.

Ils produisent une lumière monochromatique (d'une seule couleur), unidirectionnelle et cohérente (toutes les ondes lumineuses sont en phase).

Aujourd'hui, de nouveaux lasers voient le jour.

les lasers dits à atomes.

Ces derniers laissent échapper des vapeurs alcalines superfluides , soit des atomes tous cohérents, à l'image des photons dans un laser dassique.

Ces ondes de matière devraient être capables de présenter le même type d'interférences qu'un laser lumineux .

La cohérence des atomes dans un superfluide peut aussi servir à l'élaboration d'instruments de haute­ précision.

Ainsi les superfluides peuvent être utiles à la mesure de mouvements de rotation au cceur de fYl'OSCOl'eS notamment.

Récemment.

des physiciens américains ont mis en évidence un phénomène qui pourrait encore améliorer la sensibilité de tels appareils : le sifflement quantique .

Lorsqu'un superfluide traverse une petite ouverture, il se met à osciller en émettant un son.

Ce sifflement de l'hélium 4 à des températures de 2 K a été enregistré en 2005.

Une prouesse technique qui pourrait déboucher sur l'élaboration de gyroscopes capables de détecter les moindres fluctuations de la vitesse de la rotation de la Terre ou de ses oscillations sur son axe.. »