SUPERFLUIDITÉ

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Les propriétés singulières de l’hélium 4 à la lumière de la théorie de la superfluidité

Quelques propriétés spectaculaires de l’hélium 4

C'est à Leyde en 1908 que Kamerlingh Onnes avait réussi pour la première fois à liquéfier l'hélium 4, à 4,2 K sous pression atmosphérique, mais il ne découvrit pas sa superfluidité. Les premières propriétés étonnantes de l'hélium liquide ont été découvertes en 1932 par John McLennan, à Toronto. Celui-ci s'aperçut en effet que ce liquide cessait de bouillir près du zéro absolu de température, c'est-à-dire près de 0 kelvin. En 1936-1937, Willem et Ania Keesom (Leyde, Pays-Bas), puis John Allen, Rudolf Peierls et Zaki Uddin (Cambridge, Royaume-Uni) découvrirent que ce liquide très froid conduisait étonnamment bien la chaleur, ce qui expliquait l'absence d'ébullition (Allen, 1937).

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

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

Photographie

L'ébullition de l'hélium liquide révèle la température à laquelle la superfluidité apparaît. À gauche : l'hélium liquide bout  au-dessus de 2,2 kelvins (2,2 K = – 271 0C). À droite : il cesse de bouillir en dessous de cette température critique (2,2 K) [photographies... 

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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En 1932-1935, Willem et Ania Keesom avaient aussi mesuré la chaleur spécifique de l'hélium liquide – c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température par degré et par unité de masse – et découvert que cette chaleur, tracée en fonction de la température de leur échantillon, présentait un maximum pointu en forme de lettre grecque lambda (Keesom, 1932, 1935). Ils avaient donc baptisé « point lambda » – ou Tλ – la température en dessous de laquelle cet étrange phénomène avait lieu. Cela suggérait que l'hélium liquide changeait d'état, devenait plus ordonné en dessous de Tλ dont on sait aujourd'hui que la valeur précise est 2,176 K. On appela « hélium I » le liquide normal au-dessus de Tλ et « hélium II » le liquide anormal qui apparaît en dessous de Tλ.

Singularité de la chaleur spécifique de l’hélium liquide

Photographie : Singularité de la chaleur spécifique de l’hélium liquide

Photographie

En 1932-1935, à l'université de Leyde, Willem Keesom et sa fille Ania ont mesuré la variation de la chaleur spécifique C de l'hélium liquide au voisinage de 2,2 degrés absolus (2,2 K). C'est la quantité de chaleur (cal) nécessaire pour réchauffer un gramme d'un degré. La courbe... 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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À Toronto, en 1935, E. F. Burton mesura la viscosité de l'hélium liquide en y faisant osciller une pièce cylindrique et montra que celle de l'hélium II était inférieure à celle de l'hélium I ; mais c'est seulement fin 1937 que Kapitsa, à Moscou, et John Allen, à Cambridge, démontrèrent que la viscosité de l'hélium liquide devenait anormale à basse température. Kapitsa montra que l'hélium II semb [...]


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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 29 septembre 2020. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/superfluidite/