Superfluidités

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L’expansion de l’univers obéit-elle à une sorte de loi d’Archimède parce que les régions vides contiendraient des superfluides ?

Je fêtais l’autre jour mon anniversaire avec un verre d’asti à la main tout en parlant de tout et de rien.

En reposant ma coupe avec délicatesse pour ne pas renverser son précieux contenu, j’observais sa forme allongée.

Des bulles se formaient dans le fond de l’ovale avant de remonter vers la surface, semblant défier finalement la gravitation

Était-ce la similitude avec les dessins exposés dans les musées ou les revues scientifiques ?

Était-ce un effet de l’asti ?

Mon esprit commença à diverger, s’imaginant tenir un instant l’univers dans la main.

L’asti figurant les régions vides de l’espace-temps et les bulles représentant les galaxies fuyant la zone du Big-Bang….

Alors : l’expansion de l’univers obéit-elle à une sorte de loi d’Archimède parce que les régions vides contiendraient des superfluides ?

La question mérite d’être posée. Elle l’a d’ailleurs déjà été… en 2014 dans [01].

La superfluidité d’un corps est un phénomène physique découvert en 1937, il y a un peu moins d’un siècle.

Elle l’a été dans la foulée de la série des expérimentations réalisées à partir de 1911 par H. K. Onnes. Celles-ci visaient à explorer le comportement des corps connus lorsqu’on les refroidit le plus près possible du zéro absolu (environ – 273°K).

Elles concernaient au départ essentiellement l’hélium liquide.

La superfluidité ne doit pas se confondre avec la supraconductivité.

La première se caractérise par une absence de viscosité et la seconde par une absence de résistance électrique au mouvement des électrons. La baisse de température génère un certain nombre de comportements inhabituels. 

Une première illustration de ce comportement atypique s’observe quand on place le liquide superfluide dans un récipient ouvert à son sommet.

Contre-intuitivement et naturellement, il forme un film s’échappant du récipient en en remontant les parois.

Tout se passe « comme si –pour quelques instants- la gravitation terrestre locale n’avait plus aucun impact sur lui ». 

Suintant ensuite le long des parois externes, des gouttes s’écoulent, semblant redevenir sensibles à l’attraction terrestre.

Une seconde illustration spectaculaire et inattendue des liquides superfluides apparaît quand le récipient les contenant est mis en rotation. 

Plaçons-nous mentalement dans les conditions usuelles régnant à la surface du globe terrestre.

La rotation d’un seau contenant de l’eau autour de son axe vertical aboutit à la mise en rotation progressive de toute la masse d’eau.

Tout se passe comme si la rotation imposée au contenant emportait finalement le contenu avec elle. 

En revanche, lorsque le contenu est un superfluide, les choses se passent différemment.

Dans ce cas, la rotation induite/secondaire (celle impactant le contenu) dépend de la fréquence de la rotation primaire (celle agissant sur le contenant).

Dans un premier temps, pour une fréquence faible, le liquide superfluide reste insensible à la rotation primaire.

Un peu au-dessus d’une fréquence dite critique, un vortex linéaire (aussi dit filamentaire) se forme.

Il est réputé correspondre à la circulation quantifiée de la vélocité (N. h/m) le long d’un parcours fermé autour du centre de rotation.

De plus, la rotation secondaire reste réduite à un vortex d’un diamètre limité. Quand la fréquence primaire augmente encore, le diamètre ne s’étend pas pour coïncider avec celui du contenant. Tout au contraire, contre toute attente, les vortex se multiplient (vorticité quantifiée).

L’article [02] s’intéresse aux condensats de Bose-Einstein exhibant des propriétés de superfluides.

Pour autant il est important de rappeler que tous les condensats n’ont pas un comportement typique des superfluides.

Inversement, tous les superfluides ne sont pas des condensats de Bose-Einstein.

Les étoiles à neutrons sont réputées fournir un exemple concret d’application de la superfluidité [03].

Certaines équipes se pose la question de savoir si la matière sombre est un superfluide [04]. 

© Thierry PERIAT, 14 novembre 2023.

[01] https://www.techniques-ingenieur.fr/actualite/articles/et-si-lespace-temps-etait-un-superfluide-2774/

[02] Vortex formation in a stirred Bose-Einstein condensate; arXiv: cond-mat/9912015v2 [cond-mat.stat-mech], 29 December 1999.

[03] Un cœur superfluide dans les étoiles à neutrons ; 3 mars 2011, pourlascience.fr [04] Superfluid dark matter in tension with weak gravitational lensing data; arXiv:2303.08560 [astro-ph.GA]. 

[04] Superfluid dark matter in tension with weak gravitational lensing data; arXiv:2303.08560 [astro-ph.GA].