Lorsque les physiciens de Cornell Robert Richardson, David Lee et Douglas Osheroff ont reçu le prix Nobel 1996 pour leur découverte de l'état superfluide de l'hélium liquide, ce n'était que le début. Maintenant, une nouvelle équipe de chercheurs de Cornell, en s'appuyant sur ce travail, ont trouvé de nouvelles complexités dans le phénomène, avec des implications pour l'étude de la supraconductivité et des modèles théoriques de l'origine de l'univers.

"Nous voulions voir de nouvelles transitions de phase, " a déclaré Jeevak Parpia, professeur de physique. Comme ça s'est apparu, il a vu une transition plus "efficace" par rapport à tout ce qui a été observé auparavant dans l'hélium.

Les résultats sont publiés le 3 juillet dans la revue Communication Nature . Parpia et son groupe de recherche ont collaboré avec un groupe dirigé par John Saunders, professeur de physique, à Royal Holloway, Université de Londres.

Lorsque l'isotope de l'hélium connu sous le nom d'hélium-3 est refroidi à 3,2 degrés au-dessus du zéro absolu, il passe du gaz au liquide – ce que les physiciens appellent un « changement d'état ». Refroidissez-le davantage - à environ un millième de degré au-dessus du zéro absolu - et il devient un "superfluide" qui peut s'écouler sans résistance de son environnement. Si vous en mettez une partie dans un canal circulaire et que vous la faites couler autour du cercle, il coulera pour toujours, pas ralenti par le frottement. Ce comportement de l'hélium est d'un grand intérêt car les électrons dans un supraconducteur se comportent également comme un superfluide, s'écoulant sans résistance des atomes dans le conducteur.

Pour rechercher la transition, Le groupe de recherche de Parpia a utilisé l'installation scientifique et technologique Cornell NanoScale pour fabriquer une tête de « pendule de torsion », un disque de silicium de 14 millimètres de diamètre, dans lequel ils ont gravé un canal circulaire de 3,5 millimètres de large, ajouter un couvercle en verre pour faire la cavité 1,08 microns (millionièmes de mètre) de haut. La rotation du disque vers l'avant et l'arrière fait circuler l'hélium superfluide dans la cavité, et la quantité qui est superfluide peut être observée comme un changement dans la période d'oscillation du disque.

Les chercheurs ont observé les deux phases de superfluidité que Richardson, Lee et Osheroff avaient rapporté, appelés A et B. Ils ont également constaté que la phase A pouvait être "surfondue" mais nulle part autant qu'elle le pouvait dans une plus grande, expériences volumineuses.

Un exemple de surfusion peut être observé lorsque l'eau est refroidie en dessous du point de congélation tout en restant liquide. Mais ajoutez un tout petit peu de glace ou même de la poussière pour former un "point de nucléation, " et l'eau gèlera, se répandre à partir de là.

Dans l'expérience de Cornell, l'hélium s'est refroidi dans certains cas en dessous de la température à laquelle la transition A vers B était attendue mais est resté dans la phase A, bien qu'il puisse spontanément passer à B. Dans les grands systèmes, on pense qu'une telle transition spontanée se produit en raison d'un rayon cosmique ou d'un autre rayonnement local qui a pénétré dans l'échantillon pour agir comme un point de nucléation, ou il est déclenché par des vibrations. Ou peut-être, les théoriciens avaient proposé, il pourrait y avoir d'autres phases intermédiaires que nous n'avons pas encore identifiées qui aident la transition à se produire par un processus appelé "tunnelage résonnant".

Parpia a choisi un appareil nanofabriqué pour étudier l'effet du confinement. Dans un supraconducteur, les électrons se joignent en "paires de Cooper" qui sont magnétiquement neutres et n'interagiront pas avec les noyaux du conducteur. De la même manière, les atomes d'hélium dans le superfluide neutre s'apparient, gravitant l'un autour de l'autre comme des poids au bout d'une ficelle qui tourne dans les airs. Les chercheurs ont défini la hauteur du canal de fluide pour être comparable à quelques-unes des longueurs de distance d'appariement, de sorte que l'interaction entre les paires et les parois modifie l'équilibre vers la phase A sur la phase B. L'existence de nouvelles phases dans ces conditions n'est pas encore claire mais devrait être révélée dans d'autres études, les chercheurs ont dit, qui testera les effets de divers degrés de confinement.

Si le rôle des phases intermédiaires est confirmé, les chercheurs ont dit, cela peut aider les cosmologistes à expliquer et à modéliser comment l'univers a évolué « efficacement » dans une série de transitions de phase au cours des instants qui ont suivi le Big Bang.