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Surprise ! Il suffit de 6 atomes pour obtenir un superfluide quantique

La superfluidité et la supraconductivité sont des états quantiques que la matière peut adopter en effectuant des transitions de phases analogues à celles menant d'un gaz à un liquide. On pensait que ces états quantiques n'apparaissaient collectivement que dans une population contenant un assez grand nombre de particules. Une expérience dans le domaine des gaz de Fermi ultrafroids semble prouver le contraire.


Homo sapiens est familier des transitions de phase depuis son arrivée dans la biosphère terrestre et l'on sait bien qu'Empédocle, le philosophe, poète, ingénieur et médecin grec du Ve siècle av. J.-C. -- qui vivait en Sicile et qui fut célébré par Hölderlin -- faisait des quatre éléments (le Feu, l'Air, la Terre, l'Eau) les constituants de toutes choses. Il a toutefois fallu attendre la fin du XIXe siècle et le début du XXe pour que l'on commence à comprendre vraiment et à modéliser mathématiquement ces états de la matière ainsi que le passage de l'un à l'autre. Il aura fallu pour cela dans un premier temps que Boltzmann et Gibbs développent la théorie cinétique des gaz et la thermodynamique statistique. D'autres transitions de phase sont aussi étudiées à ce moment-là par les physiciens, celle concernant l'aimantation d'un corps ferromagnétique avec la température et, tout particulièrement, celles concernant la supraconductivité et la superfluidité qui ne pourront pas être comprises sans l'avènement de la mécanique quantique.


Prenons le cas de la superfluidité. Ce sont les physiciens J.F. Allen et A.D. Meisener à Cambridge et, indépendamment et surtout à Moscou, le physicien Piotr Kapitza, qui font sa découverte en 1937. Elle vaudra à ce dernier le prix Nobel de physique en 1978 ; du temps de Staline, son aura sera suffisante pour faire revenir des camps staliniens le génial Lev Landau et lancer la création du mythique Moscow Institute of Physics and Technology.


Kapitza ne s'y était pas trompé, il faudra la phénoménale maîtrise de la mécanique quantique de Landau pour percer les secrets fondamentaux de la transition de phase permettant à l'hélium, plus précisément un de ses isotopes, 4He, de devenir un liquide superfluide en dessous de la température de -271 degrés Celsius.


Les superfluides et la condensation de Bose-Einstein Cette transition avec l'hélium n'est possible que parce que le noyau d'hélium 4 se comporte comme un boson, telles les photons de la lumière, et parce que les particules quantiques de matière ont aussi des aspects ondulatoires (les atomes d'hélium 3 sont des fermions mais, à très basses températures, ils peuvent former des équivalents des paires de Cooper dans les solides supraconducteurs et devenir alors, comme ces paires d'électrons, des bosons formant un fluide s'écoulant sans résistance). En fait, avant les travaux de Landau, le physicien théoricien d'origine allemande Fritz London avait eu l'idée de faire un rapprochement entre l'apparition de l'état superfluide et un phénomène prédit par Einstein en 1925 ; l'occurrence de ce dernier devait se produire dans un gaz de particules décrit par la fameuse statistique découverte par le physicien indien Satyendranath Bose lors de calculs pour dériver la loi de Planck du rayonnement du corps noir avec la lumière et qu'Einstein avait étendu à la matière.


La condensation de Bose-Einstein est un phénomène subtil de mécanique quantique qui finit par se produire lorsque les ondes quantiques des particules se fondent en une seule et que ces particules se mettent à avoir un comportement collectif cohérent.



Elles forment ensemble une onde de matières qui se déplace sans frottement, donnant un fluide sans viscosité avec des propriétés macroscopiques étonnantes comme le montrent les vidéos dans cet article.


Source : https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/mecanique-quantique-surprise-il-suffit-6-atomes-obtenir-superfluide-quantique-84918/

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