Structure simulée d’un anneau tourbillonnaire dans l’hélium superfluide. Crédit : avec l’aimable autorisation de Wei Guo
Des scientifiques ont réalisé une percée dans l’étude des superfluides. Leurs recherches confirment le modèle S2W récemment proposé pour le mouvement des vortex dans l’hélium superfluide, ce qui ouvre la voie à des applications potentielles dans d’autres systèmes de fluides quantiques.
Sommaire
L’énigme des superfluides
Les superfluides constituent un sujet captivant dans le domaine de la recherche en physique moderne. Régis par les principes de la mécanique quantique et célèbres pour leur écoulement sans frottement, ces substances fascinantes ont suscité la curiosité des scientifiques en raison de leurs propriétés particulières et de leurs vastes applications potentielles.
Une étude révolutionnaire sur les superfluides
Des chercheurs de la Faculté d’ingénierie de la FAMU-FSU, sous la direction du professeur Wei Guo, ont réalisé des avancées significatives dans l’exploration du mouvement des vortex au sein de ces fluides quantiques. Leurs recherches sur le mouvement des anneaux tourbillonnaires dans l’hélium superfluide ont été publiées dans Nature Communications. Il est important de noter que ces travaux apportent des preuves irréfutables à l’appui d’un modèle théorique de tourbillons quantifiés récemment proposé.
Le professeur Guo a déclaré : « Nos résultats résolvent des questions de longue date et améliorent notre compréhension de la dynamique des tourbillons dans le superfluide ».
Yuan Tang, chercheur postdoctoral au Laboratoire national des champs magnétiques intenses (National High Magnetic Field Laboratory), basé à l’université d’État de Floride. Crédit : Université d’État de Floride
Vortex quantifiés dans les superfluides
L’une des caractéristiques des superfluides est l’existence de tourbillons quantifiés. Il s’agit de tubes minces et creux qui ressemblent à des tornades miniatures. Ils jouent un rôle essentiel dans toute une série de phénomènes, allant de la turbulence dans l’hélium superfluide aux irrégularités dans la rotation des étoiles à neutrons. Pourtant, la prédiction précise du mouvement de ces vortex est restée une tâche insaisissable.
Pour tenter de résoudre ce problème, l’équipe de recherche a utilisé des particules traceuses de deutérium solidifiées qui se sont retrouvées piégées dans les anneaux tourbillonnaires. En illuminant ces particules avec un laser d’imagerie en forme de feuille, l’équipe a réussi à capturer des images précises et à quantifier le mouvement des particules.
Validation du modèle S2W
L’équipe a également effectué une série de simulations à l’aide de divers modèles théoriques. Les résultats indiquent que seul le modèle bidirectionnel autoconsistant récemment proposé, connu sous le nom de modèle S2W, reproduit avec précision le mouvement observé des anneaux tourbillonnaires. Selon le modèle S2W, l’anneau devrait se contracter au fur et à mesure qu’il interagit avec l’environnement thermique, mais à un rythme plus lent que celui prévu par les théories précédentes.
Yuan Tang, chercheur postdoctoral au National High Magnetic Field Laboratory de l’université d’État de Floride, a déclaré : « C’est exactement ce que nous avons vu. Cette recherche fournit la première preuve expérimentale à l’appui du modèle S2W. »
Wei Guo, professeur au département d’ingénierie mécanique du FAMU-FSU College of Engineering. Crédit : Université d’État de Floride
Implications et orientations futures
Les implications de cette avancée vont bien au-delà de l’hélium superfluide. Le modèle S2W validé offre des perspectives prometteuses pour l’utilisation dans d’autres systèmes de fluides quantiques, tels que les condensats atomiques de Bose-Einstein et les étoiles à neutrons superfluides.
Guo a fait part de son enthousiasme : « Nous sommes ravis des possibilités qu’offre le modèle S2W pour les études futures. Maintenant que nous avons confirmé sa validité pour l’hélium superfluide, nous souhaitons appliquer ce modèle à d’autres systèmes de fluides quantiques et relever de nouveaux défis scientifiques. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir The Great Mystery of Quantized Vortex Motion (en anglais).
Référence : « Imaging quantized vortex rings in superfluid helium to evaluate quantum dissipation » par Yuan Tang, Wei Guo, Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, Makoto Tsubota et Toshiaki Kanai, 23 mai 2023, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-023-38787-w
La collaboration de recherche comprenait les coauteurs Hiromichi Kobayashi de l’Université Keio, Makoto Tsubota et Satoshi Yui de l’Université métropolitaine d’Osaka et l’étudiant diplômé de la FSU Toshiaki Kanai.
Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, la Gordon and Betty Moore Foundation et la Japan Society for the Promotion of Science.