Quand un superfluide passe le mur du son

Publié par Adrien le 04/03/2020 à 08:00
Source: CNRS INP
Des physiciennes et des physiciens ont réalisé pour la première fois l'écoulement superfluide d'un gaz quantique à une vitesse très largement supersonique. Le gaz en rotation dans une bulle magnétique est expulsé du centre par la force centrifuge et adopte spontanément une forme annulaire. Ces résultats éclairent la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) des superfluides en rotation ultra-rapide.


Profil de densité de l'écoulement annulaire à la vitesse (On distingue :) de 7 mm/s (ce qui correspond à Mach 15) de 20 000 atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) de rubidium à quelques dizaines de nanokelvins. Le rayon de l'anneau est de 30 micromètres. L'image en fausse couleur (Les techniques dites de fausse couleur sont utilisées en imagerie astronomique ou médicale, ou pour exploiter des résultats de prospection minière, dans le cas où l'on peut tirer avantage à mettre en...) est obtenue par absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors de ce...) d'un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme...) résonnant.
© R. Dubessy, LPL (CNRS/Univ. Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du théologien du XIIIe siècle Robert de Sorbon, le fondateur du collège de...) Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du...) Nord)

Un superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa, simultanément...) est un fluide (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu compressibles. Dans certaines conditions...) parfaitement non visqueux qui, à vitesse modérée, peut s'écouler sans dissipation, c'est-à-dire, à l'échelle des atomes, sans que des excitations ne perturbent leur mouvement. La superfluidité, comme la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance...), est ainsi une manifestation à une échelle macroscopique de la physique quantique qui décrit le fluide à l'échelle microscopique. On la rencontre à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...), comme à environ 2 kelvins dans l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) ou à quelques centaines de nanokelvins dans les nuages d'atomes ultra-froids appelés gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) quantiques. Qu'en est-il si l'écoulement superfluide devient très rapide ? Au-delà d'une vitesse d'écoulement critique, proche de la vitesse du son dans le fluide, les excitations deviennent possibles: il y a alors dissipation et le fluide perd sa superfluidité. De plus, dépasser la vitesse du son facilite l'occurrence de perturbations importantes comme des ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de chocs provoquées par les moindres aspérités sur le trajet du fluide. Créer un écoulement superfluide supersonique (Supersonique signifie « supérieur à la vitesse du son ».) est donc une véritable gageure !

Des physiciennes et physiciens du Laboratoire de physique des lasers (LPL, CNRS/Univ. Sorbonne Paris Nord) ont relevé le défi et ont pour la première fois créé un écoulement supersonique d'un gaz quantique superfluide composé d'atomes de rubidium à une température de l'ordre de quelques dizaines de nanokelvins. Pour cela, ils ont confiné le nuage (Un nuage est une grande quantité de gouttelettes d’eau (ou de cristaux de glace) en suspension dans l’atmosphère. L’aspect d'un nuage dépend de la lumière qu’il reçoit, de la nature, de la...) à l'aide d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une...) très régulier, pour qu'il se trouve comme dans une bulle extrêmement lisse de 100 micromètres de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la...) environ. Des champs magnétiques radiofréquences permettent de mettre le gaz en rotation. La force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) centrifuge pousse (Pousse est le nom donné à une course automobile illégale à la Réunion.) alors les atomes sur les parois de la bulle, créant un trou au centre et donnant au nuage une forme d'anneau dont la rotation persiste plus d'une minute ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte...). La bulle est tellement lisse que des vitesses très élevées, jusqu'à 20 fois la vitesse du son, sont atteintes tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en préservant la superfluidité ! Ces résultats sont parus dans la revue Physical Review Letters.

Les expérimentateurs ont également étudié une excitation de cet anneau en rotation lui donnant une forme légèrement elliptique qui elle-même tourne lentement. Alors que les théoriciens prévoient que cette déformation devrait toujours tourner dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une...) opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à ajouté à n donne zéro. En botanique, les organes d'une plante sont dits opposés lorsqu'ils sont insérés au même...) à celui de l'écoulement, ils ont observé qu'au-delà d'une certaine vitesse d'écoulement la déformation tournait au contraire dans le même sens que les atomes. Dans une prochaine étape, l'étude des mécanismes de dissipation de la rotation à partir des vitesses supersoniques obtenues permettra de confronter à l'expérience les différentes théories publiées. À plus long terme, c'est le "tourbillon quantique géant" que doit devenir l'anneau au-delà d'une certaine vitesse de rotation, la valeur de celle-ci étant encore débattue parmi les théoriciens, qui sera l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d'étude. La démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment démontrées à partir de propositions initiales, en s'appuyant sur un ensemble...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de recherche...) faite ici ouvre ainsi de nouvelles perspectives à l'étude des gaz quantiques en rotation rapide, jusque-là une source d'inspiration féconde réservée à la physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.).

Références:
Supersonic rotation of a superfluid: a long-lived dynamical ring.
Y. Guo, R. Dubessy, M. de Goër de Herve, A. Kumar, T. Badr, A. Perrin, L. Longchambon, et H. Perrin, Physical Review Letters, le 17 janvier 2020. DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.025301.
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes arXiv et HAL.
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