La superfluidité est
l'abaissement brutal de la viscosité associée à
une élévation de la conductivité thermique du
corps.
En dessous d'une certaine température, la viscosité,
qui est liée aux chocs moléculaires,
décroît brutalement, comme A. Einstein l'a
expliqué le premier.
Les superfluides s'écoulent dès lors sans
frottement.
Découverte en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa,
simultanément avec, semble-t-il, John F. Allen et A. Don
Misener, elle a d'abord été décrite comme une
propriété de l'hélium (à
très basse température) lui permettant de
s'écouler à travers des canaux capillaires ou des
fentes étroites sans viscosité. Par la suite, le
phénomène a trouvé des applications non
seulement dans la théorie de l'hélium liquide, mais
également en astrophysique, en physique des particules et dans
la théorie quantique des champs.
Finalement, un liquide est dit superfluide sil n'oppose aucune
résistance à l'écoulement. En
conséquence, les solides qui se meuvent dans le liquide ne
subissent aucun frottement visqueux.
La superfluidité de l'hélium ordinaire (IV), liquide
quantique composé de bosons, se manifeste en dessous de 2
kelvins (-271.15°C). Ce phénomène de nature
quantique qui se manifeste à l'échelle macroscopique
est connu depuis 1938 (Kapitsa, Prix Nobel
1978). La découverte de la superfluidité de
l'hélium III (fermion) a valu à le Prix Nobel à
David Mac Lee, Robert C. Richardson et Douglas D. Osherhoff
(1972).
Les physiciens mentionnés ci-dessus ont constaté qu'en
dessous de la température critique de 2,17
kelvins, (soit -270,98 °C), qui est
appelé le point lambda (l),
l'hélium 4 subissait une transition de phase. Il passait d'un
état liquide à un autre aux propriétés
sensiblement différentes. En effet, l'expérience,
confirmée par la suite, montra que ce nouvel état de
l'hélium conduisait très bien la chaleur, ce qui ne
pouvait s'expliquer que par une faible viscosité.Des
expériences plus spécifiques à la
mécanique des fluides montrèrent ensuite que
l'écoulement de cet hélium dans un tuyau était
sensiblement indépendant de la pression appliquée sur
les parois du tuyau, et de plus indépendant de la section du
tuyau en question. Ceci ne pouvait s'expliquer que par une absence
totale de viscosité, d'où le nom de
superfluidité.
D'autres propriétés remarquables d'un superfluide
sont l'existence d'une conductivité thermique infinie
et la présence de tourbillons possédant une
vorticité quantifiée (tourbillon). Du point de vue
théorique, on peut décrire l'hydrodynamique d'un
superfluide par un modèle à deux fluides: le fluide
normal qui possède une viscosité non-nulle et le
superfluide de viscosité nulle. Lorsque la température
diminue, la fraction superfluide augmente et la fraction normale
diminue. En dessous du point l
, l'hélium superfluide acquiert la qualité de
supraconducteur de chaleur, cest-à-dire qu'il ne
supporte pas la moindre différence de température entre
deux de ses parties. Sans quoi, l'hélium n'est plus exactement
un superfluide.
Nota : la superfluidité présente diverses similitudes
avec la supraconductivité (ou
superconductivité,
<page interne).