Qu'est-ce qu'un superfluide?

Un superfluide est une phase de matière capable de couler sans fin sans perte d'énergie.Cette propriété de certains isotopes a été découverte par Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen et Don Misener en 1937. Il a été atteint à très basses températures avec au moins deux isotopes d'hélium, un isotope de rubidium et un isotope de lithium.

Seuls les liquides et les gaz peuvent être des superfluides.Par exemple, le point de congélation de l'hélium est de 1 K (Kelvin) et 25 atmosphères de pression, le plus bas de tous les éléments, mais la substance commence à présenter des propriétés superfluides à environ 2 K. La transition de phase se produit lorsque tous les atomes constitutifs d'un échantillon commencent àOccupez le même état quantique.Cela se produit lorsque les atomes sont placés très près les uns des autres et refroidis tellement que leurs fonctions d'onde quantique commencent à se chevaucher et que les atomes perdent leur identité individuelle, se comportant plus comme un seul super-atome qu'une agglomération d'atomes.

Un facteur limitesur quels matériaux peuvent présenter une superfluidité et qui ne peut pas être que le matériau doit être très très froid (moins de 4 K) et rester fluide à cette température froide.Les matériaux qui deviennent solides à basses températures ne peuvent pas supposer cette phase.Lorsqu'elle est refroidie à des températures très basses, un ensemble de bosons prêts pour le superfluide, atomes avec un nombre uniforme de nucléons, se transforme en un condensat Bose-Einstein, une phase superfluide de la matière.Lorsque les fermions, les atomes avec un nombre impair de nucléons tels que l'isotope Helium-3, sont refroidis à quelques Kelvin, cela n'est pas suffisant pour provoquer cette transition.

Parce que seuls les bosons peuvent facilement devenir un condensat de Bose-Einstein, les fermions doivent d'abord s'associer les uns aux autres afin de devenir superfluide.Ce processus est similaire à l'appariement Cooper des électrons qui se produit dans les supraconducteurs.Lorsque deux atomes avec un nombre impair de nucléons s'associent les uns aux autres, ils possèdent collectivement un nombre uniforme de nucléons et commencent à se comporter comme des bosons, se condensant ensemble dans un état superfluide.C'est ce qu'on appelle un condensat de fermion et émerge uniquement au niveau de la température MK (Millikelvin) plutôt qu'à quelques Kelvins.La principale différence entre l'appariement des atomes dans un appariement superfluide et d'électrons dans un supraconducteur est que l'appariement atomique est médiatisé par des fluctuations de spin quantique plutôt que par des échanges de phonon (énergie vibratoire).

Les superfluides ont des propriétés impressionnantes et uniques qui les distinguent des autresformes de matière.Parce qu'ils n'ont pas de viscosité interne, un vortex formé dans un seul persiste pour toujours.Un superfluide a une entropie thermodynamique nulle et une conductivité thermique infinie, ce qui signifie qu'aucun différentiel de température ne peut exister entre deux superfluides ou deux parties de la même.Ils peuvent également grimper et sortir d'un conteneur dans une couche d'épaisseur à un atome si le conteneur n'est pas scellé.Une molécule conventionnelle intégrée dans un superfluide peut se déplacer avec une liberté de rotation complète, se comportant comme un gaz.D'autres propriétés intéressantes peuvent être découvertes à l'avenir.

La plupart des soi-disant superfluides ne sont pas purs, mais sont en fait un mélange d'un composant fluide et d'un composant superfluide.Les applications potentielles des superfluides ne sont pas aussi excitantes et variées que celles des supraconducteurs, mais les réfrigérateurs de dilution et la spectroscopie sont deux domaines où ils ont trouvé une utilisation.L'application la plus intéressante aujourd'hui est peut-être purement éducative, montrant comment les effets quantiques peuvent devenir macroscopiques à l'échelle dans certaines conditions extrêmes.