Superfluidité
Une propriété bien insolite de la matière

© Thierry PERIAT : textes, idées et photos : simple bouillote dans laquelle chauffe l'eau du thé pour les ouvriers d'une usine.

La superfluidité d’un corps (typiquement l’hélium liquide) est un phénomène physique découvert il y a environ un siècle, dans la foulée de la série des expérimentations réalisées depuis 1911 et visant à explorer le comportement des corps connus lorsqu’on les refroidit le plus près possible du zéro absolu (environ – 273°K). Elle se manifeste à notre échelle par l’apparition d’un comportement pour le moins insolite. 

Comportement apparemment anormal vis-à-vis du champ de gravitation 

Une première illustration bien connue de ce comportement atypique survient quand on place le liquide superfluide dans un récipient ouvert à son sommet. Il tend alors naturellement (c’est-à-dire sans l’intervention d’aucune autre interaction avec l’échantillon) à former un film remontant le long des parois du récipient le contenant et à s’en échapper progressivement, « comme si –pour quelques instants- la gravitation terrestre locale n’avait plus aucun impact sur lui ». 

Suintant ensuite le long des parois externes, il s’écoule en formant des gouttes sous le fond du récipient ; celles-ci, semblant redevenir sensible à l’attraction terrestre en même temps qu’elles se réchauffent un peu, se séparent finalement du récipient puis tombent au-dessous de lui.

Comportement anormal vis-à-vis de la rotation induite

Une seconde illustration spectaculaire et inattendue des liquides superfluides apparaît quand le récipient les contenant est mis en rotation. 

En temps ordinaire, c’est-à-dire dans les conditions usuelles régnant à la surface du globe terrestre, la rotation d’un seau contenant par exemple de l’eau autour de son axe vertical aboutit à la mise en rotation progressive de toute la masse d’eau contenue dans le seau autour de cet axe, comme si la rotation imposée au contenant avait finalement capté tout le contenu. 

Lorsque le contenu est un superfluide, les choses se passent différemment puisque la rotation induite/secondaire (celle impactant le contenu) dépend de la fréquence de la rotation primaire (celle agissant sur le contenant). Dans un premier temps, pour une fréquence faible, le liquide superfluide reste insensible à la rotation primaire. Un peu au-dessus d’une fréquence dite critique, un vortex linéaire (aussi dit filamentaire) se forme. Il est réputé correspondre à la circulation quantifiée de la vélocité (N. h/m) le long d’un parcours fermé autour du centre de rotation. De plus, la rotation secondaire reste réduite à un vortex d’un diamètre limité. Quand la fréquence primaire augmente encore, contre toute attente, le diamètre ne s’étend pas pour coïncider avec celui du contenant ; tout au contraire, les vortex se multiplient. 

Une distinction importante

L’article consulté s’intéresse aux condensats de Bose-Einstein exhibant des propriétés de superfluides. Pour autant il est important de rappeler que tous les condensats n’ont pas un comportement typique des superfluides et que tous les superfluides ne sont pas des condensats de Bose-Einstein.

Les étoiles à neutrons

Les étoiles à neutrons sont réputées fournir un exemple concret d'application de la superfluidité. 

Source d’inspiration : Vortex formation in a stirred Bose-Einstein condensate; arXiv: cond-mat/9912015v2 [cond-mat.stat-mech], 29 December 1999. 

© Thierry PERIAT, 06 octobre 2016.