L’hélium-4 liquide, qui se trouve dans un état superfluide à des températures cryogéniques proches du zéro absolu (-273°C), possède un vortex spécial appelé vortex quantique, originaire des effets de la mécanique quantique.
Lorsque la température est relativement élevée, le fluide normal existe simultanément dans l’hélium superfluide, et lorsqu’un vortex quantique est en mouvement, une friction mutuelle se produit entre lui et le fluide normal.
Cependant, il est difficile d’expliquer précisément comment un vortex quantique interagit avec un fluide normal en mouvement. Bien que plusieurs modèles théoriques aient été proposés, il n’est pas clair lequel est correct.
Un groupe de recherche * a étudié numériquement l’interaction entre un vortex quantique et un fluide normal. Sur la base des résultats expérimentaux, les chercheurs ont décidé du modèle théorique le plus cohérent parmi plusieurs.
Ils ont trouvé qu’un modèle qui tient compte des changements dans le fluide normal et incorpore une friction mutuelle plus théoriquement précise est le plus compatible avec les résultats expérimentaux.
« Le sujet de cette étude, l’interaction entre un vortex quantique et un fluide normal, est un grand mystère depuis que j’ai commencé mes recherches dans ce domaine il y a 40 ans« , a déclaré le Professeur Tsubota. « Les avancées computationnelles ont rendu possible la gestion de ce problème, et la brillante expérience de visualisation de nos collaborateurs à l’Université d’État de Floride a conduit à une percée. Comme c’est souvent le cas en science, les développements technologiques ultérieurs ont permis d’élucider, et cette étude est un bon exemple de cela.«
Leurs conclusions ont été publiées dans la revue Nature Communications.
Vortex quantique (explications)
Un vortex quantique, également connu sous le nom de tourbillon quantique, est un phénomène quantique qui se produit dans certains systèmes physiques, tels que les superfluides quantiques ou les condensats de Bose-Einstein. Il est caractérisé par la formation d’un tourbillon de particules quantiques dans lequel le flux des particules est confiné à l’intérieur d’une région circulaire ou tubulaire.
Dans un superfluide quantique, les atomes se comportent comme des ondes et peuvent former des structures en forme de vortex lorsque le fluide est en rotation. Ces vortex quantiques sont des objets topologiques, ce qui signifie qu’ils conservent leur forme et leur structure malgré les perturbations du système.
Les vortex quantiques présentent des propriétés intéressantes, telles que la quantification du flux et l’effet Hall quantique fractionnaire. Ils ont également des applications potentielles dans des domaines tels que l’informatique quantique et la recherche sur la fusion nucléaire.
Journal: Nature Communications
Title: Imaging quantized vortex rings in superfluid helium to evaluate quantum dissipation
DOI: 10.1038/s41467-023-38787-w
Author: Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota and Toshiaki Kanai
https://doi.org/10.1038/s41467-023-38787-w
* Groupe dirigé par le Professeur Makoto Tsubota et l’Assistant Spécialement Nommé Professeur Satoshi Yui, de l’École des Sciences et de l’Institut Théorique et Expérimental Nambu Yoichiro de Physique, de l’Université Métropolitaine d’Osaka respectivement, en coopération avec leurs collègues de l’Université d’État de Floride et de l’Université Keio,
Légende illustration : Visualisation de l’anneau tourbillonnaire quantifié au-dessus du plan (courbe verte), anneaux tourbillonnaires du fluide normal (demi-cercles rougeâtres). Crédit : Makoto Tsubota, OMU
À propos de l’OMU : L’Université métropolitaine d’Osaka est la troisième plus grande université publique du Japon. Elle est née de la fusion de l’Université de la ville d’Osaka et de l’Université de la préfecture d’Osaka en 2022.
