La
superfluidite
est un etat de la matiere dans lequel celle-ci se comporte comme un fluide depourvu de toute viscosite.
Decouverte en 1937 par
Piotr Kapitsa
, simultanement avec, semble-t-il,
John F. Allen
et
A. Don Misener
, elle a d'abord ete decrite comme une propriete de l'
helium
(a tres basse temperature) lui permettant de s'ecouler a travers des canaux capillaires ou des fentes etroites sans
viscosite
. Par la suite, le phenomene a trouve des applications non seulement dans la theorie de l'helium liquide, mais egalement en
astrophysique
, en
physique des particules
et dans la
theorie quantique des champs
.
Diagramme de phase de l'helium 4.
Les physiciens mentionnes ci-dessus ont constate qu'en dessous de la temperature critique d'environ
2,18
kelvins
, (soit
?270,97
°C
), qui est appele le point lambda (λ), l'
helium 4
subissait une
transition de phase
. Il passait d'un etat liquide a un autre aux proprietes sensiblement differentes. En effet, l'experience, confirmee par la suite, montra que ce nouvel etat de l'helium conduisait tres bien la chaleur, ce qui ne pouvait s'expliquer que par une faible
viscosite
.
Des experiences plus specifiques a la
mecanique des fluides
montrerent ensuite que l'ecoulement de cet helium dans un tuyau etait sensiblement independant de la pression appliquee sur les parois du tuyau. On a egalement montre que cet ecoulement etait independant de la section du tuyau en question.
Ceci ne pouvait s'expliquer que par une absence totale de
viscosite
, d'ou le nom de
superfluidite
.
Finalement, un liquide est dit superfluide s’il n'oppose aucune resistance a l'ecoulement. En consequence, les solides qui se meuvent dans le liquide ne subissent aucun
frottement
visqueux.
Un liquide superfluide place dans un recipient s'echappe par capillarite en remontant les parois du recipient et en s'ecoulant en dessous
[
1
]
.
Helium superfluide : la goutte en dessous du recipient suspendu est formee par le ≪ glissement ≫ (la remontee par
capillarite
) de l'
helium liquide
issu de l'interieur du recipient le long des parois.
L'helium II ≪ rampe ≫ le long des surfaces afin de trouver son propre niveau - apres un court moment, les niveaux dans les deux conteneurs s'egaliseront. Un film (film Rollin) couvre egalement le plus grand des recipients. Si le recipient n'etait pas scelle, l'helium II se repandrait et s'echapperait.
D'autres proprietes remarquables d'un superfluide sont l'existence d'une
conductivite thermique
infinie et la presence de tourbillons possedant une
vorticite
quantifiee. Du point de vue theorique, on peut decrire l'hydrodynamique d'un superfluide par un modele a deux fluides : le fluide normal qui possede une viscosite non nulle et le superfluide de viscosite nulle. Lorsque la temperature diminue, la fraction superfluide augmente et la fraction normale diminue.
En dessous du point λ, l'helium superfluide acquiert la qualite de
supraconducteur de chaleur
, c’est-a-dire qu'il ne supporte pas la moindre difference de temperature entre deux de ses parties. Sans quoi, l'helium n'est plus exactement un superfluide.
Le
modele des deux fluides
decrit l'helium superfluide comme, en realite, l'interpenetration, le melange, de deux fluides aux proprietes tres differentes. Il se composerait d'un
fluide normal
et d'un
superfluide
. Le fluide normal se compose d'atomes n'ayant pas subi la condensation. Ils occupent donc des etats differents de l'
etat fondamental
et les atomes qui le composent sont donc localises. Le superfluide, lui, est identifie au condensat. C’est-a-dire que l'ensemble des atomes sont compresses dans l'etat fondamental habituel. Contrairement au fluide normal, ses particules sont completement delocalisees, du point de vue quantique.
Le fait que l'helium soit compose de ces deux elements n'est qu'un modele dont la validite reste a prouver.
Dans les annees 1970,
Douglas Osheroff
,
David M. Lee
et
Robert C. Richardson
ont decouvert un etat superfluide pour l'isotope rare de l'helium, l'
helium 3
, a une temperature de
2
mK
environ, bien inferieure a la temperature de transition superfluide mesuree dans l'helium 4. Pour cette decouverte, le
prix Nobel de physique
leur a ete attribue en 1996.
La difference entre les deux
isotopes
de l'helium est que les atomes d'helium 4 sont des
bosons
, alors que les atomes d'helium 3 sont des
fermions
, ce qui fait que leur comportement a tres basse temperature suit des lois radicalement differentes.
Comme l'a suggere
Fritz London
dans les annees 1940, la formation d'un etat superfluide dans l'helium 4 correspond a une
condensation de Bose-Einstein
des atomes d'helium qui sont des
particules quantiques bosoniques
. Toutefois, contrairement au cas du gaz de Bose ideal, dans l'helium 4 la repulsion entre les atomes est tres forte, et meme a tres basse temperature, seulement 10 % des atomes sont dans le condensat.
Au contraire, a cause de son caractere fermionique, l'helium 3 a tres basse temperature forme un
liquide de Fermi
. C'est l'existence d'une tres faible attraction entre les atomes d'helium 3 qui produit un appariement des atomes fermioniques d'helium 3 en dessous de la transition superfluide. Un phenomene similaire conduit a la
supraconductivite
dans les metaux. Dans ce dernier cas, les particules formant un etat superfluide sont des paires d'electrons (
paires de Cooper
), et l'absence de
viscosite
se traduit par une absence de
resistivite
electrique. La theorie des phases superfluides de l'helium 3 est une extension de la
theorie BCS
.