Quand un superfluide passe le mur du son
L’équipe Condensats de Bose-Einstein de l’axe Gaz Quantiques du Laboratoire de Physique des Lasers (CNRS / Université Paris 13) a réalisé pour la première fois un écoulement superfluide d’un gaz quantique à une vitesse très largement supersonique. Le gaz en rotation dans un « bol » magnétique est expulsé du centre par la force centrifuge et adopte spontanément une forme annulaire. Ces résultats éclairent la physique des superfluides en rotation ultra-rapide.
Qu'est-ce qu'un superfluide ?
Un superfluide est un fluide parfaitement non visqueux, qui à vitesse modérée peut s’écouler dans un conduit sans dissipation. La superfluidité, comme la supraconductivité, est une manifestation à une échelle macroscopique de la physique quantique qui décrit le fluide à l’échelle microscopique. On la rencontre dans l’hélium liquide à basse température, mais aussi dans les gaz quantiques ultra froids.
Qu’en est-il si l’écoulement superfluide devient très rapide ? Au-delà d’une vitesse d’écoulement critique, proche de la vitesse du son dans le fluide, la dissipation peut se produire et le fluide perd sa superfluidité. Dépasser la vitesse du son peut créer des perturbations importantes comme des ondes de chocs dans le fluide si le conduit présente la moindre aspérité. Est-il possible alors de créer un écoulement superfluide supersonique ?
Résultats de l'expérience
Des chercheurs du LPL ont répondu par l’affirmative, dans le cadre d’une expérience menée avec un gaz quantique superfluide [1]. Pour cela, ils ont utilisé un conteneur en forme de bulle pour confiner le gaz quantique. Le gaz quantique est préparé au fond de la bulle, où la gravité le maintient de façon stable. Cette bulle est tellement lisse que lorsque le gaz est mis en rotation, il peut atteindre des vitesses très élevées sans que la rotation soit amortie.
La force centrifuge le pousse loin de l’axe de rotation, et le gaz remonte les parois de la bulle, laissant un trou se former près de l’axe. Le gaz adopte alors une forme circulaire, et la vitesse de l’écoulement dans cet anneau dynamique atteint vingt fois la vitesse du son.
Et la superfluidité ?
Les expériences montrent qu’elle est préservée. D’une part l’écoulement persiste plus d’une minute, ne disparaissant qu’avec le gaz dont la densité s’atténue au cours de l’expérience. D’autre part, le gaz réagit à de petites perturbations en se déformant de façon globale et en adoptant une forme légèrement elliptique, qui tourne lentement. On parle de mode collectif, caractérisé par une fréquence de rotation spécifique. Si l’observation de cette déformation était attendue pour un gaz superfluide, la fréquence observée par l’équipe du LPL diffère des prédictions théoriques.
Ces résultats permettent d’ouvrir tout un champ d’études sur ce nouvel objet quantique expérimental qu’est l’anneau dynamique. Il est ainsi prédit qu’à partir d’une certaine vitesse de rotation encore sujette à débat parmi les théoriciens, l’anneau devienne un «tourbillon quantique géant », première étape vers d’autres états quantiques présentant de fortes corrélations entres les atomes. L’étude des mécanismes de dissipation de la rotation à partir des vitesses supersoniques obtenues permettra de confronter à l’expérience les différentes théories publiées à ce sujet. De plus, comme les gaz quantiques en rotation présentent une analogie formelle avec les particules chargées dans un champ magnétique, ces résultats ouvrent la voie à la simulation quantique de la physique du transport électronique en champ fort.
[1] Supersonic rotation of a superfluid: a long-lived dynamical ring
Y. Guo, R. Dubessy, M. de Goër de Herve, A. Kumar, T. Badr, A. Perrin, L. Longchambon, et H. Perrin
A paraître dans Phys. Rev. Lett.
https://arxiv.org/abs/1907.01795
Légende photo
Copyright :Romain Dubessy, LPL
Figure qui représente les atomes en rotation dans l’anneau dynamique, faite à partir de données expérimentales. Les atomes sur la figure tournent dans la bulle à Mach 15 – 15 fois la vitesse du son dans le fluide.
