Qu'est-ce qu'un superfluide?
Un superfluide est une phase de la matière capable de couler à l'infini sans perte d'énergie. Cette propriété de certains isotopes a été découverte par Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen et Don Misener en 1937. Elle a été réalisée à très basse température avec au moins deux isotopes d'hélium, un isotope de rubidium et un isotope de lithium.
Seuls les liquides et les gaz peuvent être des superfluides. Par exemple, le point de congélation de l'hélium est 1 K (Kelvin) et 25 atmosphères de pression, le plus bas de tous les éléments, mais la substance commence à présenter des propriétés superfluides à environ 2 K. La transition de phase se produit lorsque tous les atomes constitutifs d'un échantillon commencent à se dissoudre. occuper le même état quantique. Cela se produit lorsque les atomes sont très proches les uns des autres et refroidis à tel point que leurs fonctions d'onde quantiques commencent à se chevaucher et que les atomes perdent leur identité individuelle, se comportant davantage comme un super-atome unique que comme une agglomération d'atomes.
Un facteur limitant sur lequel les matériaux peuvent présenter une superfluidité et qui ne le peuvent pas est que le matériau doit être très très froid (moins de 4 K) et rester fluide à cette température froide. Les matériaux qui deviennent solides à basse température ne peuvent pas assumer cette phase. Lorsqu'il est refroidi à de très basses températures, un ensemble de bosons prêts pour la gestion d'un fluide ultra-fluide, des atomes avec un nombre pair de nucléons, forme un condensat de Bose-Einstein, une phase de matière superfluide. Lorsque des fermions, des atomes avec un nombre impair de nucléons tels que l'isotope de l'hélium-3, sont refroidis à quelques Kelvin, cela ne suffit pas pour provoquer cette transition.
Etant donné que seuls les bosons peuvent facilement devenir un condensat de Bose-Einstein, les fermions doivent d'abord s'associer pour devenir un superfluide. Ce processus est similaire à la paire d'électrons de Cooper qui se produit dans les supraconducteurs. Lorsque deux atomes avec un nombre impair de nucléons se mettent en paire, ils possèdent collectivement un nombre pair de nucléons et commencent à se comporter comme des bosons, se condensant en un état superfluide. C'est ce qu'on appelle un condensat de fermion et ne se dégage qu'au niveau de température en mK (milliKelvin) plutôt qu'à quelques Kelvins. La principale différence entre l'appariement d'atomes dans un appariement superfluide et d'électrons dans un supraconducteur réside dans le fait que l'appariement atomique est médié par des fluctuations de spin quantiques plutôt que par un échange de phonons (énergie vibratoire).
Les superfluides ont des propriétés uniques et impressionnantes qui les distinguent des autres formes de matière. Parce qu'ils n'ont pas de viscosité interne, un vortex formé en un persiste pour toujours. Un superfluide a une entropie thermodynamique nulle et une conductivité thermique infinie, ce qui signifie qu’aucun différentiel de température ne peut exister entre deux superfluides ou deux parties du même. Ils peuvent également monter et descendre d'un conteneur dans une couche d'un atome d'épaisseur si le conteneur n'est pas scellé. Une molécule conventionnelle enchâssée dans un superfluide peut se déplacer en toute liberté, se comportant comme un gaz. D'autres propriétés intéressantes pourraient être découvertes à l'avenir.
La plupart des soi-disant superfluides ne sont pas purs, mais sont en fait un mélange d'un composant fluide et d'un composant superfluide. Les applications potentielles des superfluides ne sont pas aussi intéressantes et variées que celles des supraconducteurs, mais les réfrigérateurs à dilution et la spectroscopie sont deux domaines dans lesquels ils ont trouvé une utilisation. L’application la plus intéressante aujourd’hui est peut-être purement pédagogique et montre comment les effets quantiques peuvent devenir macroscopiques à l’échelle dans certaines conditions extrêmes.