La découverte d'une couche « tempête » créée lorsque de l'hélium superfluide s'écoule sur une surface rugueuse a bouleversé un siècle de compréhension de l'une des découvertes les plus importantes de la physique quantique.

Mathématiciens de l'Université de Newcastle, ROYAUME-UNI, ont montré pour la première fois que l'hélium superfluide a une couche limite qui «adhère» aux surfaces de la même manière qu'un fluide ordinaire.

Cependant, contrairement aux fluides normaux qui sont tirés en arrière par friction, dans l'hélium superfluide la résistance est causée par la création de mini tornades, qui s'emmêlent comme des spaghettis, ralentir le débit.

Publié aujourd'hui dans la revue académique Lettres d'examen physique , cette première preuve d'une couche « tempête » change toutes les hypothèses passées sur la façon dont les superfluides se déplacent et pourrait être utilisée pour mieux comprendre leur utilisation comme réfrigérants et dans les appareils de mesure de précision tels que les gyroscopes.

Tempête dans une tasse de thé

Auteur principal de l'article Dr George Stagg, de la School of Mathematics &Statistics de l'Université de Newcastle, dit que pour visualiser les résultats de la recherche, il suffit de penser à votre tasse de thé du matin.

« Imaginez que vous remuez une tasse de thé puis retirez la cuillère, " il explique.

"On dirait que tout le thé tourbillonne, mais en réalité, à la paroi de la tasse, le thé s'immobilise puisqu'il s'y coince. En raison des frottements, les couches adjacentes de liquide sont retenues lorsqu'elles essaient de tourbillonner autour de la tasse. Cette "couche limite" provoque bientôt l'arrêt du flux.

"Mais si nous devions répéter avec une tasse d'hélium superfluide, le fluide continuerait à tourbillonner pour toujours puisqu'il n'y a pas de friction, et pas de couche limite, pour le retenir.

"Ou du moins c'est ce qu'on a toujours cru.

"Ce que nos recherches ont montré, c'est que ce phénomène n'est vrai que pour des surfaces parfaitement lisses. Si la surface est "rugueuse" à l'échelle du nanomètre, comme toutes les surfaces sont, puis des mini tornades sont créées lorsque le superfluide s'écoule à la surface.

"Ces vortex tourbillonnants s'emmêlent comme des spaghettis et - tout comme lorsque vous égouttez vos spaghettis et les laissez trop longtemps dans une casserole - ils collent ensemble, créant une couche limite à mouvement lent entre le fluide en mouvement libre et la surface.

"Alors dans notre tasse de thé, ce que nous verrions en fait autour du bord est une "tempête" - une couche de tornades tourbillonnantes se collant ensemble et arrêtant presque le flux de fluide le plus proche de la frontière.

"Cela signifie que, contrairement à notre compréhension passée, l'hélium superfluide se comporte en fait de la même manière qu'un fluide ordinaire."

L'une des découvertes les plus importantes du XXe siècle

L'hélium est l'un des rares éléments connus qui ne deviendra jamais solide mais reste liquide même à des températures extrêmement basses.

En 1908, Le physicien néerlandais Kamerlingh Onnes est devenu la première personne à liquéfier l'hélium et deux ans plus tard, il a découvert que lorsqu'il était refroidi à quelques degrés au-dessus du zéro absolu, il cesserait brusquement de bouillir.

Ce serait plusieurs décennies plus tard, cependant, avant que les scientifiques ne soient capables d'expliquer les propriétés étranges de l'hélium ultra-froid - son manque de viscosité et sa contrainte de ne tourbillonner qu'à travers de minuscules tornades de taille et de force fixes.

Avec d'autres propriétés, ceux-ci sont devenus les «marques de la superfluidité».

"Ce flux sans entrave était l'une des propriétés les plus excitantes d'un superfluide, " explique le Dr Nick Parker, Maître de conférences en mathématiques appliquées et co-auteur de l'article.

"Cela a changé tout ce que nous pensions savoir sur les lois du frottement. Par exemple, si nous remuons une tasse de thé et créons une "tornade", dès que nous retirons la cuillère, la tornade commence à ralentir et finit par s'arrêter. Mais si nous remuons un superfluide, la tornade continuera pour toujours même une fois la cuillère retirée.

"Ce manque de viscosité est l'une des caractéristiques clés qui définit un superfluide."

Importance des couches limites

Les couches limites apparaissent lorsque les fluides quotidiens, surfaces qui coulent, sont ralentis par les forces visqueuses et comprendre ce qui se passe au niveau de la couche limite est particulièrement important en ingénierie.

"Voir ce lien étroit entre les superfluides et les fluides classiques nous aide à reconstituer les liens entre ces types de fluides apparemment distincts, peut-être même pour former une compréhension universelle de la façon dont les fluides s'écoulent à travers les surfaces, " dit le Dr Parker.

"Les couches limites sont cruciales dans les fluides normaux pour de nombreuses applications, comme l'amélioration de l'écoulement des liquides dans les canalisations ou le ruissellement des eaux de pluie sur les matériaux de construction.

Maintenant, dans les superfluides, nous pouvons utiliser cette compréhension pour améliorer leurs applications en tant que liquides de refroidissement et dans les appareils de mesure de précision tels que les gyroscopes."