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Super-propriétés

Dans un récipient en verre, l’hélium superfluide remonte le long des parois par capilarité et déborde,d’où la goutte en dessous ; Crédits : AlfredLeitnerLa superfluidité a été découverte dans l’hélium liquide vers 2 kelvins (-271 degrés Celsius), fin 1937, à Cambridge (J.F. Allen et A.D. Meisener) et indépendamment à Moscou (P. Kapitza). Dès l’année suivante à Paris, F. London comprenait que ce comportement étonnant était une conséquence d’un phénomène prédit par Einstein en 1925 : dans certains fluides, les atomes sont susceptibles d’adopter un comportement collectif cohérent, ils forment ensemble une onde de matière qui se déplace sans frottement. Cette onde s’appelle un « condensat de Bose-Einstein ». Toutes les particules ne peuvent pas former un tel état : la prédiction d’Einstein ne s’applique qu’aux particules appartenant à la famille des « bosons ». En effet, pour des raisons de symétrie différente, la mécanique quantique classe les particules en deux familles aux propriétés bien distinctes, les bosons et les fermions. Ces derniers ne peuvent former de condensat. Un atome d’hélium 4 est un boson ; c’est dans cet hélium qu’a été découvert la superfluidité en 1937. L’électron est un fermion ; en revanche une paire d’électrons est un boson : on sait aujourd’hui que dans un supraconducteur les électrons forment une onde collective semblable à la superfluidité, mais que, pour cela, ils doivent s’apparier deux par deux. Parce que son noyau contient un neutron de moins que l’hélium 4, l’atome d’hélium 3 est un fermion. On a découvert en 1973 que l’hélium 3 liquide devient lui aussi superfluide, mais à une température mille fois plus basse que son isotope plus lourd (l’hélium 4) et à condition que les atomes d’hélium 3 s’apparient, comme les électrons supraconducteurs.

L’absence de viscosité d’un superfluide fut expliquée à partir des travaux de Lev Landau en 1941 puis de Bogoliubov en 1947. Landau remarqua que pour qu’un superfluide perde de l’énergie, il fallait exciter des états quantiques d’énergie supérieure à celle de l’état fondamental et que ceci ne pouvait se faire en dessous d’une certaine vitesse minimale. Ce phénomène a été vérifié en détails dans l’hélium liquide mais aussi, à partir de 1995, dans les nombreux superfluides gazeux que sont les vapeurs d’atomes froids (rubidium, sodium, hydrogène, césium etc.).

 

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