superfluidité

La superfluidité est un état de la matière caractérisé par une viscosité pratiquement nulle et par la capacité du fluide à circuler sans dissipation dans des conditions de très basse température. Dans cet état, une fraction du fluide peut former des courants persistants et se déplacer sans perte d'énergie, même dans des configurations géométriques complexes. La superfluidité résulte d’un état quantique cohérent à l’échelle macroscopique.

L’histoire de la découverte concerne l’hélium liquide. L’hélium-4 devient superfluide en dessous d’environ 2,17 kelvins (point lambda); les observations ont été réalisées par Kapitza et confirmées par Allen et Misener. Le cadre théorique associe le phénomène au modèle à deux fluides et à l’idée que les bosons peuvent se condenser en un état quantique macroscopique, tandis que les fermions comme l’hélium-3 atteignent la superfluidité par formation de paires (similaires aux paires de Cooper). Des systèmes de gaz ultradiluts d’atomes froids permettent aussi d’étudier la superfluidité et les condensats de Bose‑Einstein.

Principes physiques: dans un fluide superfluide, la dynamique est décrite par un champ de phase dont le gradient détermine la vitesse; la circulation est quantifiée et les vortex portent une unité de circulation h/m. Le cadre à deux fluides distingue une composante superfluide sans dissipation et une composante normale qui se comporte comme un fluide ordinaire et peut dissiper l’énergie. Des phénomènes caractéristiques incluent le second son, ou propagation de la chaleur, et les vortex quantifiés.

Systèmes expérimentaux: les phénomènes sont particulièrement bien observés dans l’hélium-4 et l’hélium-3, mais aussi dans des gaz ultrafroids d’atomes bosoniques confinés dans des pièges optiques ou magnétiques, où les condensats de Bose‑Einstein et les vortex peuvent être directement étudiés.

Impact et perspectives: la superfluidité illustre une manifestation de la mécanique quantique à l’échelle macroscopique et sert de laboratoire pour la physique des fluides quantiques, des transitions de phase et des vortex; les recherches portent sur la dynamique des vortex et les applications potentielles en métrologie et en détection sensible.