superfluidité. n.f. PHYSIQUE : état quantique de la matière, rencontré dans l'hélium liquide à basse température, caractérisé notamment par une viscosité apparemment nulle et des propriétés thermodynamiques remarquables, entre autres une conductivité thermique presque infinie, due à des « ondes thermiques » analogues à des ondes sonores. Un liquide complètement fluide. Lorsqu'on le refroidit, l'isotope 4 de l'hélium devient liquide sous la pression atmosphérique à 4,216 K, puis subit une transition de phase au point lambda (2,18 K) où il passe à l'état superfluide. La propriété la plus spectaculaire de cet état est l'absence de toute trace de viscosité lors de l'écoulement du liquide à travers des tubes capillaires, aussi fins soient-ils. La formation de films capillaires illimités fait que l'hélium superfluide contenu dans un récipient grimpe spontanément le long des parois, s'échappe du récipient et se répand alentour. De nombreuses autres propriétés surprenantes ont également été décrites depuis la découverte, en 1938, de cette phase superfluide par Kapitsa. Parmi celles-ci figure le fait que la capillarité mesurée par d'autres méthodes que l'écoulement (amortissement de la rotation d'un disque tournant dans le liquide) donne une valeur finie, semblable à celle d'un liquide normal. Le modèle à deux fluides. Le modèle phénoménologique proposé par Tisza est celui d'un mélange de deux fluides distincts, le superfluide et le fluide normal. Au superfluide appartiennent les propriétés de viscosité nulle dans un capillaire et l'impossibilité de mettre de l'hélium superfluide en rotation comme on peut le faire pour un liquide normal. Du fluide normal dépend l'existence d'une viscosité finie lorsqu'on déplace un objet dans le liquide. Le couplage entre les deux fluides est responsable de l'existence du « second son », c'est-à-dire d'ondes analogues à des ondes sonores dans un liquide, mais dans lesquelles les deux fluides (le super et le normal) oscillent en opposition de phase : de telles ondes, qui ont été mises en évidence et dont la vitesse a été mesurée, ne donnent pas lieu à des vibrations mécaniques, mais à des vibrations thermiques. Le modèle de Landau. Le physicien soviétique Lev Davidovitch Landau a donné dès 1941 une explication théorique du phénomène reprenant en partie l'idée avancée en 1938 par Fritz London, suivant laquelle les atomes d'hélium, formés d'un nombre pair de fermions (2 électrons, 2 protons et 2 neutrons), sont des bosons et subissent donc le phénomène de la « condensation de Bose-Einstein » : en dessous d'une certaine température de transition, toutes les particules du fluide se trouvent regroupées dans un « état quantique macroscopique », que London identifiait à l'état superfluide. Pour Landau, le modèle de London, valable pour des particules sans interaction, ne pouvait convenir à l'hélium, où l'existence d'une phase liquide était la preuve que des interactions existaient. Ces interactions devaient donc se manifester. Lorsqu'on excite des particules, par exemple en en mettant certaines en mouvement alors que d'autres restent au repos, on leur transmet une certaine énergie. Dans un système quantique macroscopique, la nature des états d'énergie accessibles est imposée par ce caractère quantique, et le génie de Landau fut de deviner quel devait être le spectre d'énergie des états accessibles. Ensuite, il identifia les particules dans un état excité à des « quasi-particules » indépendantes les unes des autres et formant une sorte de « gaz ». Enfin, il montra que ce gaz de quasi-particules pouvait de façon satisfaisante s'identifier à la composante « normale » du modèle à deux fluides, la composante superfluide étant formée par l'état condensé de la condensation de BoseEinstein. Ce modèle, qui valut à son auteur le prix Nobel, est bien confirmé par l'ensemble des propriétés expérimentales, quoiqu'il cesse d'être quantitatif aux abords de la transition. L'isotope 3 de l'hélium, bien qu'étant un fermion, présente cependant un état superfluide à une température de l'ordre du millikelvin. Difficile à observer et moins spectaculaire que celui de l'hélium-4, cet état est cependant remarquable, car il résulte d'un appariement des atomes aboutissant à la formation de paires analogues aux « paires de Cooper » de la supraconductivité. Par un mécanisme identique, on suppose que les étoiles à neutrons observées comme pulsars sont également dans un état superfluide. Complétez votre recherche en consultant : Les corrélats capillarité hélium Kapitsa Petr Leonidovitch Landau Lev Davidovitch onde pulsar spectre supraconductivité
