Visualisation d’un anneau de tourbillon quantifié au-dessus du plan (courbe verte) et d’anneaux de tourbillon de fluide normal (demi-cercles rougeâtres). Crédit : Makoto Tsubota, OMU
Explication de l’interaction entre les tourbillons quantifiés et les fluides normaux.
Des chercheurs de l’Université métropolitaine d’Osaka, de l’Université d’État de Floride et de l’Université de Keio ont démystifié l’interaction entre un tourbillon quantifié et un fluide normal dans l’hélium-4 liquide à des températures cryogéniques. À l’aide de calculs et d’une visualisation avancés, ils ont constaté qu’un modèle tenant compte des changements du fluide normal et d’un frottement mutuel précis était le plus approprié.
L’hélium-4 liquide, qui se trouve dans un état superfluide à des températures cryogéniques proches du zéro absolu (-273°C), possède un tourbillon spécial appelé tourbillon quantifié qui provient d’effets de la mécanique quantique. Lorsque la température est relativement élevée, le fluide normal existe simultanément dans l’hélium superfluide, et lorsque le vortex quantifié est en mouvement, il se produit un frottement mutuel entre lui et le fluide normal. Cependant, il est difficile d’expliquer précisément comment un tourbillon quantifié interagit avec un fluide normal en mouvement. Bien que plusieurs modèles théoriques aient été proposés, il n’a pas été possible de déterminer clairement quel était le bon modèle.
Un groupe de recherche dirigé par le professeur Makoto Tsubota et le professeur assistant spécialement nommé Satoshi Yui, de l’École supérieure des sciences et de l’Institut Nambu Yoichiro de physique théorique et expérimentale de l’Université métropolitaine d’Osaka, en coopération avec leurs collègues de l’Université d’État de Floride et de l’Université Keio, a étudié numériquement l’interaction entre un tourbillon quantifié et un fluide normal. Sur la base des résultats expérimentaux, les chercheurs ont choisi le plus cohérent de plusieurs modèles théoriques. Ils ont constaté qu’un modèle qui tient compte des changements dans le fluide normal et qui incorpore un frottement mutuel plus précis sur le plan théorique est le plus compatible avec les résultats expérimentaux.
« Le sujet de cette étude, l’interaction entre un vortex quantifié et un fluide normal, est un grand mystère depuis que j’ai commencé mes recherches dans ce domaine il y a 40 ans », a déclaré le professeur Tsubota. « Les progrès de l’informatique ont permis de résoudre ce problème, et la brillante expérience de visualisation menée par nos collaborateurs de l’université d’État de Floride a débouché sur une percée. Comme c’est souvent le cas en science, les développements ultérieurs de la technologie ont permis d’élucider, et cette étude en est un bon exemple ».
Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications le 23 mai 2023.
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