Des chercheurs de l’EPFL** apportent la preuve expérimentale de l’existence de la superfluidité à l’échelle nanométrique et décodent les bases fondamentales de ce phénomène.
La superfluidité décrit un état de la matière dans lequel celle-ci se comporte comme un fluide dépourvu de toute viscosité. Comme la supraconductivité, ce phénomène apparaît à très basse température et peut pousser un liquide comme l’hélium à se conduire de façon très étrange, par exemple à s’échapper d’un récipient ou même à créer une fontaine perpétuelle.
Outre la fascination qu’elle peut provoquer, la superfluidité trouve souvent des applications de haute précision comme les gyroscopes quantiques et les satellites qui mesurent la radiation infrarouge dans l’espace. À quelques exceptions près, elle est généralement considérée comme un phénomène macroscopique qui découle d’agrégats de particules plutôt que d’atomes individuels. Un récent article de Physical Review Letters explique toutefois qu’une équipe de l’EPFL a démontré que la superfluidité implique une dynamique à l’échelle nanométrique, du moins pour les liquides.
Le superfluide le plus répandu, l’hélium-4, est utilisé à la fois dans la recherche et pour des applications telles que le refroidissement du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN. Sauf pour ce qui concerne le cas du condensat de Bose-Einstein – un état de la matière qui apparaît à très basse température lorsque les particules atteignent leur énergie minimale – la superfluidité était jusqu’ici considérée comme un phénomène macroscopique. En toute logique, l’hélium-4 est donc habituellement employé sous forme d’agrégats, dans les études les plus connues et qui ne tiennent pas compte de l’influence des atomes individuels sur le phénomène global.
Un des paramètres utilisés pour mesurer la superfluidité est la vitesse critique de Landau, limite au-delà de laquelle le flux sans frottement d’une matière se perd. Lorsqu’un objet qui se meut dans un superfluide dépasse cette vitesse, il génère des excitations élémentaires du milieu appelées rotons, qui ressemblent aux ondes sonores. La création de rotons absorbe une partie de l’énergie de la particule en mouvement, qui ralentit et «gagne» en viscosité. Dans le cas de l’hélium-4, un objet peut traverser ce superfluide sans frottement tant que sa vitesse reste en dessous de ~58 m/sec. Or, même si la vitesse de Landau a été vérifiée de façon expérimentale dans des agrégats d’hélium-4, ce qui prouve l’existence de la superfluidité, celle-ci n’a jamais été observée dans des systèmes de faibles dimensions – par exemple des nanogouttes -, même s’ils sont de plus en plus utilisés dans les études du genre.
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Une équipe de recherche menée par Marcel Drabbels a désormais démontré qu’une vitesse critique de Landau existe dans des gouttes d’hélium-4 de quelques nanomètres de large, soit seulement vingt atomes d’hélium-4 de diamètre. Les scientifiques ont conçu une expérience où un seul atome (p.ex. d’argent) ou une molécule (p.ex. d’oxyde de nitrate) a été introduit-e dans des nanogouttes d’hélium-4 de différentes tailles (de mille à cinq millions d’atomes d’hélium-4). Le système a ensuite été excité au moyen d’un rayon laser jusqu’à ce que les pseudo « impuretés » soient éjectées des gouttelettes. La particule rejetée a ensuite été ionisée et projetée sur un détecteur de position. À ce moment précis, la vitesse ionique en espace tridimensionnel a été calculée et déterminée.
Résultats: la distribution de vitesse des «impuretés» correspondait à une vitesse critique de Landau. Cette expérience démontre ainsi pour la première fois que la superfluidité peut survenir même dans des systèmes de taille finie. Elle soulève également de nouvelles interrogations sur les propriétés fondamentales du phénomène. Selon les auteurs déterminer la taille minimale des gouttes dans laquelle la vitesse critique de Landau peut être démontrée de façon systématique, est notamment l’une des questions les plus cruciales pour les études de suivi.
Cette recherche est née d’une collaboration entre l’EPFL et les universités d’Amsterdam et Barcelone.
** EPFL : École polytechnique fédérale de Lausanne
