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Il n’y a pas de limite de vitesse dans un univers superfluide. Maintenant, nous savons pourquoi.

Dans le milieu froid et dense d’un superfluide d’hélium-3, les scientifiques ont récemment fait une découverte inattendue. Un objet étranger voyageant à travers le milieu pourrait dépasser une limite de vitesse critique sans casser le fragile superfluide lui-même.

Comme cela contredit notre compréhension de la superfluidité, cela présentait tout un casse-tête – mais maintenant, en recréant et en étudiant le phénomène, les physiciens ont compris comment cela se produit. Les particules du superfluide adhèrent à l’objet, l’empêchant d’interagir avec le superfluide en vrac, empêchant ainsi la dégradation du superfluide.

« L’hélium-3 superfluide ressemble à un vide pour une tige qui le traverse, bien que ce soit un liquide relativement dense. Il n’y a aucune résistance, aucune résistance du tout », a déclaré le physicien Samuli Autti de l’Université de Lancaster au Royaume-Uni. « Je trouve cela très intriguant. »

Les superfluides sont un type de fluide qui n’a aucune viscosité et aucun frottement, et s’écoule donc sans perdre d’énergie cinétique. Ils peuvent être fabriqués relativement facilement à partir de bosons de l’isotope hélium-4, qui, lorsqu’ils sont refroidis juste au-dessus du zéro absolu, ralentissent suffisamment pour se chevaucher et former un amas d’atomes à haute densité qui agissent comme un «  super-atome  ».

Ces «super-atomes» ne forment cependant qu’un seul type de superfluide. Un autre est basé sur le frère du boson, le fermion. Les fermions sont des particules qui incluent des blocs de construction atomiques comme les électrons et les quarks.

Lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température, les fermions se lient ensemble dans ce qu’on appelle des paires de Cooper, chacune composée de deux fermions qui forment ensemble un boson composite. Ces paires de Cooper se comportent exactement comme des bosons et peuvent donc former un superfluide.

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L’équipe a créé son superfluide fermionique à partir d’hélium-3, un isotope rare de l’hélium manquant d’un neutron. Lorsqu’il est refroidi à un dix millième de degré au-dessus du zéro absolu (0,0001 Kelvin, ou -273,15 degrés Celsius / -459,67 degrés Fahrenheit), l’hélium-3 forme des paires de Cooper.

Ces superfluides sont assez fragiles et les paires de Cooper peuvent se briser si un objet se déplace à travers au-dessus d’une certaine vitesse, appelée vitesse critique de Landau.

Et pourtant, dans un article de 2016, des chercheurs de l’Université de Lancaster ont découvert qu’un fil machine se déplaçant à travers un superfluide d’hélium-3 pouvait dépasser cette vitesse sans casser les paires.

Dans leurs expériences de suivi, ils ont mesuré la force requise pour déplacer le fil machine à travers le superfluide. Ils ont mesuré une force extrêmement faible lorsque le fil a commencé à bouger, mais une fois qu’il bougeait, la force requise pour continuer était nulle – il suffit de lui donner un coup de coude et c’est parti.

L’équipe a conclu que la force initiale venait des paires de Cooper se déplaçant un peu pour s’adapter au mouvement, exerçant cette petite force de démarrage sur le fil machine. Mais, après cela, le fil peut se déplacer librement, essentiellement camouflé dans un manteau de paires de Cooper.

« En faisant changer la direction de mouvement de la tige, nous avons pu conclure que la tige sera cachée du superfluide par les particules liées qui la recouvrent, même lorsque sa vitesse est très élevée », a déclaré le physicien Ash Jennings de l’Université de Lancaster.

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Cette nouvelle découverte pourrait avoir des implications intéressantes.

Les superfluides fermioniques peuvent être utilisés pour créer des supraconducteurs, qui sont à leur tour étudiés en tant que composant critique des ordinateurs quantiques. En savoir plus sur comment et pourquoi les superfluides se comportent comme ils le font ne fera que nous rapprocher de cet objectif.

La recherche a été publiée dans Communications de la nature.

Cet article a été initialement publié par ScienceAlerte. Lire l’article original ici.

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