SUPERFLUIDITÉ

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La « superfluidité » est une propriété qu'ont certains liquides ou gaz de s'écouler beaucoup plus facilement que les autres. Un superfluide peut s'écouler sans résistance aucune même à travers les plus petits orifices. De plus, les superfluides ont d'autres propriétés remarquables. Par exemple, la chaleur s'y propage sous forme d'ondes et les tourbillons y sont tous identiques. La superfluidité n'a pu être expliquée au xxe siècle que grâce à l'avènement de la mécanique quantique, qui s'applique non seulement aux particules qu'elle représente comme des ondes, mais aussi à la matière macroscopique qui est visible à l'œil nu.

Principales étapes de la superfluidité

L'existence de la superfluidité a été simultanément découverte en décembre 1937 par deux équipes de chercheurs qui étudiaient l'hélium liquide à très basse température, en dessous de 2,2 kelvins (2,2 K = – 271 0C ; 0 K = – 273,15 0C) : celle de John F. Allen à Cambridge (Royaume-Uni) et celle de Piotr L. Kapitsa à Moscou (URSS) [Balibar, 2007]. Le mot anglais superfluid a été inventé par Kapitsa pour qualifier ce liquide qui lui paraissait beaucoup plus fluide que les liquides classiques. Le début de sa compréhension théorique a été l'œuvre de Fritz London et Laszlo Tisza réfugiés à Paris en 1938 puis de Lev D. Landau, à Moscou en 1941-1947. Ce faisant, ces trois chercheurs ont démontré pour la première fois que la physique quantique – qui décrit les particules comme des ondes – permettait de rendre non seulement compte des propriétés microscopiques des particules, mais aussi de certaines propriétés de la matière visible, donc à l'échelle macroscopique. La découverte et l'interprétation de la superfluidité correspondent donc à une étape majeure en physique quantique. Par la suite, on a découvert des superfluides autres que l'hélium liquide et on a compris que la supraconductivité de certains métaux est une superfluidité d'électrons. Aujourd'hui, les superfluides et les supraconducteurs ont quelques applications très importantes, en particulier pour la construction d'électro-aimants de très forte puissance dont certains ont révolutionné l'imagerie médicale.

La superfluidité ne concerne pas toutes les particules, mais seulement deux catégories. En physique quantique, on distingue ainsi les bosons – qui sont des particules obéissant aux lois statistiques de Bose-Einstein – et les fermions – qui obéissent, eux, aux lois dites de Fermi-Dirac. La différence entre bosons et fermions est une question de symétrie dont la conséquence principale est que deux fermions identiques ne peuvent pas occuper ensemble un même état alors que les bosons le peuvent. Les électrons sont des fermions, mais lorsque deux électrons s'apparient, la paire qui en résulte est un boson. L'influence de cette parité est universelle. Ainsi, parmi les deux isotopes de l'atome d'hélium, l'un est un boson –  l'hélium 4 dont le noyau a deux protons et deux neutrons – mais l'autre – l'hélium 3 – est un fermion parce que son noyau a deux protons, mais un seul neutron. Or Fritz London a proposé en 1938 que la superfluidité était une conséquence d'un phénomène quantique concernant les bosons : la « condensation de Bose-Einstein ». Ce dernier phénomène avait été proposé en 1924-1925 par Albert Einstein à partir de travaux de Satyendranath Bose (Bose, 1924 ; Einstein, 1924, 1925). Dans un gaz d'atomes, cette condensation consiste en un regroupement général de ces atomes sur le même état quantique où ils forment une sorte d'onde macroscopique faite de nombreux atomes indiscernables les uns des autres. Cette condensation quantique apparaît en dessous d'une température critique qui dépend de la masse des atomes et de leur densité. Non seulement cela a été démontré pour des bosons, mais on a aussi démontré que, effectivement, si des fermions se regroupent par deux, les paires formées étant devenues des bosons composés, la condensation de Bose-Einstein pouvait avoir lieu et le fluide de paires devenir superfluide.

De fait, si en 1937 la découverte concernait l'hélium naturel, principalement composé d'hélium 4, donc de bosons, la superfluidité existe ailleurs. En 1972, à l'université Cornell (États-Unis), Douglas D. Osheroff, David M. Lee et Richard C. Richardson découvrent la superfluidité de l'hélium 3 liquide et démontrent que ce phénomène nécessite chez ces fermions la formation de paires d’atomes donc des bosons composés aux propriétés magnétiques très particulières n'apparaissant qu'en dessous de 2,5 millikelvins (mK), une température mille fois plus basse que pour l'hélium 4.

Il en est de même dans le domaine de la supraconductivité, caractérisée par l’absence de résistance électrique dans les matériaux supraconducteurs. Ce phénomène, découvert en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes à Leyde (Pays-Bas), ne fut compris qu'en 1957 lorsque John Bardeen, Leon N. Cooper et John R. Schrieffer construisirent la théorie dite BCS – d'après leurs noms – et démontrèrent que la supraconductivité résultait de l'appariement des électrons dont l’écoulement devenait alors superfluide.

En 1995, à Boulder (États-Unis), Eric A. Cornell et Carl E. Wieman mettent en évidence la condensation de Bose-Einstein du rubidium gazeux en dessous du microkelvin. Simultanément, mais au Massachusetts Institute of Technology (États-Unis), Wolfgang Ketterle fait de même pour le sodium gazeux et Randy Hulet à Houston (États-Unis) pour le lithium gazeux. Peu de temps après, Ketterle observe l'écoulement sans dissipation d'un gaz de sodium, démontrant définitivement ainsi le lien étroit entre superfluidité et condensation de Bose-Einstein. L'observation de tourbillons quantiques qui sont tous identiques dans le rubidium (en 2000), dans le sodium (2001) puis le lithium (2005) confirme ce lien. Par la suite, la condensation de Bose-Einstein sera découverte dans de nombreux gaz quantiques d'atomes froids ou de molécules froides, ainsi que dans certains semi-conducteurs. Différentes approches de la structure des étoiles à neutrons considèrent aussi que leur densité est suffisamment grande pour qu'elles soient superfluides malgré leur très haute température.

La superfluidité est donc une propriété remarquable de nombreux systèmes macroscopiques au-delà des seuils de densité et de température où leurs propriétés quant [...]

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La superfluidité de l’hélium en dessous de 2,2 K

La superfluidité de l’hélium en dessous de 2,2 K
Crédits : J. F. Allen et J. M. G. Armitage, St Andrews, 1982/ University of St Andrews ; reproduced with permission from the School of Physics & Astronomy, University of St Andrews

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Singularité de la chaleur spécifique de l’hélium liquide

Singularité de la chaleur spécifique de l’hélium liquide
Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Effet fontaine de l’hélium superfluide

Effet fontaine de l’hélium superfluide
Crédits : Reproduced with permission from the School of Physics & Astronomy, University of St Andrews © University of St Andrews.

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Tourbillons quantiques dans un superfluide en rotation

Tourbillons quantiques dans un superfluide en rotation
Crédits : Yarmchuk et al, 1979, Phys. Rev. Lett., 43(3): 214, avec l'autorisation de R. Packard ; Goa et al, 2001 Supercond. Sci. Technol. 14 729, courtesy of University of Oslo, Department of Physics ; avec l'autorisation de Jean Dalibard

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Écrit par :

  • : directeur de recherche émérite CNRS, Laboratoire de physique de l'École normale supérieure, Paris, membre de l'Académie des sciences

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Pour citer l’article

Sébastien BALIBAR, « SUPERFLUIDITÉ », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 01 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/superfluidite/