Superfluidité

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 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 s’il 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, c’est-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).


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Sources : Wikipédia et Futura-Sciences.