Superfluide : quand la chaleur se comporte comme le son

Dans un domaine concernant la physique des matériaux, des chercheurs du MIT ont réussi à capturer des images directes d’un phénomène thermique fascinant connu sous le nom de « second son ». Cette découverte ouvre une fenêtre sur le comportement ondulatoire de la chaleur dans les états de la matière exotiques et pourrait avoir des implications profondes pour notre compréhension des superfluides et d’autres matériaux connexes.

La nature ondulatoire de la chaleur

Contrairement à la dispersion habituelle de la chaleur dans la plupart des matériaux, où un point chaud se dissipe progressivement en réchauffant son environnement, le «second son» décrit un comportement où la chaleur se propage sous forme d’onde, similaire à la manière dont le son rebondit dans un espace confiné. Ce phénomène a été observé dans un nombre très limité de matériaux jusqu’à présent.

Une visualisation inédite

Les physiciens du MIT ont non seulement observé ce phénomène, mais ont également réussi à en capturer des images directes, révélant comment la chaleur peut se déplacer comme une vague et osciller d’avant en arrière, indépendamment du mouvement de la matière physique du matériau. Ces images illustrent le mouvement pur de la chaleur, sans l’influence des particules du matériau.

Richard Fletcher, professeur assistant, compare ce phénomène à un réservoir d’eau dont une moitié serait presque à ébullition.

« Vous pourriez observer l’eau qui semble totalement calme, mais soudainement l’autre côté devient chaud, et ainsi de suite, la chaleur allant et venant, tandis que l’eau reste parfaitement immobile », explique-t-il.

Le superfluide comme sujet d’étude

L’équipe dirigée par Martin Zwierlein, professeur de physique, a visualisé le «second son» dans un superfluide — un état spécial de la matière créé lorsque des atomes sont refroidis à des températures extrêmement basses, les amenant à s’écouler comme un fluide sans aucune friction. Les théoriciens avaient prédit que dans cet état superfluide, la chaleur devrait également se propager comme une onde, bien que ce comportement n’ait pas été directement observé jusqu’à présent.

Les résultats, publiés dans la revue Science, aideront les physiciens à obtenir une image plus complète de la manière dont la chaleur se déplace à travers les superfluides et d’autres matériaux connexes, tels que les supraconducteurs et les étoiles à neutrons.

« Il existe des connexions fortes entre notre nuage de gaz et le comportement des électrons dans les supraconducteurs à haute température, et même des neutrons dans les étoiles à neutrons ultradenses », précise Martin Zwierlein.

Une nouvelle technique de thermographie

Pour isoler et observer le «second son», l’équipe a développé une nouvelle méthode de thermographie, adaptée aux températures ultrabasses où les gaz ne dégagent pas de rayonnement infrarouge. Ils ont utilisé la fréquence radio pour « voir » comment la chaleur se déplace à travers le superfluide, découvrant que les fermions de lithium-6 résonnent à différentes fréquences radio en fonction de leur température.

Les expériences marquent la première fois que les scientifiques ont pu imager directement le second son, et le mouvement pur de la chaleur dans un gaz quantique superfluide. Les chercheurs prévoient d’étendre leur travail pour cartographier plus précisément le comportement de la chaleur dans d’autres gaz ultrabas, et espèrent que leurs découvertes pourront être extrapolées pour prédire comment la chaleur se déplace dans d’autres matériaux fortement interactifs.

« Nous serons désormais en mesure de mesurer précisément la conductivité thermique dans ces systèmes, et espérons comprendre et concevoir de meilleurs systèmes », conclut Martin Zwierlein.

Légende illustration : Pour la première fois, des physiciens du MIT ont capturé des images directes du « second son », le mouvement de la chaleur qui va et vient dans un superfluide. Ces résultats permettront aux scientifiques de mieux comprendre les flux de chaleur dans les supraconducteurs et les étoiles à neutrons. Crédit : José-Luis Olivares, MIT

Article : « Thermography of the superfluid transition in a strongly interacting Fermi gas » – DOI: 10.1126/science.adg3430