Des scientifiques du Laboratoire national des champs magnétiques élevés, dont le siège est à la Florida State University, ont fait une découverte dans la dynamique des fluides qui vaut vraiment la peine de déboucher une bouteille de bon vin.

Wei Guo, professeur agrégé de génie mécanique au FAMU-FSU College of Engineering, et l'assistant de recherche diplômé du MagLab Toshiaki Kanai ont publié une nouvelle étude dans la revue Lettres d'examen physique qui met en lumière la façon dont les fluides quantiques, également appelés superfluides, fusionnent. Il s'avère qu'ils utilisent un mécanisme de tire-bouchon.

Au niveau atomique, ces fluides obéissent à un ensemble de règles entièrement différent qui se posent à ultra-bas, ou cryogénique, températures. Dans ce cas, cette température oscille autour de -273 degrés Celsius (environ -460 degrés Fahrenheit), bien plus froid que n'importe où sur Terre. Un tel environnement ne peut être atteint qu'avec de gros efforts dans des laboratoires spéciaux.

En d'autres termes, fluides quantiques, aussi appelés superfluides, sont vraiment bizarres. Ils sont également d'un grand intérêt pour les scientifiques en partie parce qu'ils existent dans le cosmos, dans les étoiles à neutrons et, peut-être, dans la matière noire.

« Les étoiles à neutrons, essentiellement, sont gros, gouttes superfluides en rotation, et ces gouttes peuvent fusionner, " dit Guo, un physicien qualifié qui supervise le groupe de recherche en cryogénie du MagLab . « Nous avons donc posé la question :que se passe-t-il lorsque des gouttes superfluides en rotation fusionnent ? Comment la rotation est-elle transférée de l'une à l'autre ? »

La réponse qu'ils ont obtenue, basé sur des simulations numériques, est venu comme une surprise. Les résultats ont montré que la rotation de ces fluides ressemblait peu à la dynamique des fluides classique. Cependant, il peut être apprécié par tous ceux qui apprécient occasionnellement le gobelet de gewürztraminer :le mécanisme était un tire-bouchon.

Le superfluide qu'ils ont modélisé était un condensat de Bose-Einstein. Les BEC sont un état de la matière totalement différent de celui de l'air, liquide, solide ou plasma, formé en refroidissant un gaz de très faible densité jusqu'à presque zéro absolu, la température la plus basse possible. Dans cet état glacial, les atomes, aspiré de presque toute leur énergie, agissent essentiellement comme un seul. Ils ont une viscosité nulle; un BEC circule sans dissiper aucune énergie.

Dans notre monde classique, quand une goutte de pluie en rotation tombe dans un plan d'eau immobile, le mouvement de rotation et le moment angulaire de la goutte de pluie sont transférés à l'eau dans laquelle elle tombe à travers des structures en rotation que nous appelons les tourbillons.

Mais lorsque Kanai a créé un modèle pour voir ce qui se passe dans le monde quantique lorsqu'une goutte de BEC en rotation fusionne avec une goutte statique, il n'y avait aucun signe de tourbillons ou de tourbillons. Pourtant, il y a eu un transfert de motion.

"Les tourbillons sont restés dans la goutte en rotation, mais ils n'ont pas été transférés au sommet, " expliqua Guo. " Mais d'une manière ou d'une autre, le mouvement de rotation et le moment angulaire ont été transférés à l'autre région. Nous avons donc pensé qu'il devait y avoir un mécanisme différent jouant ce rôle. Une étrange structure est apparue à l'interface des deux gouttes — étrange car elle n'apparaît pas en conventionnel, fluides visqueux."

Cette étrange structure :un tire-bouchon.

"La structure sert à peu près comme un tire-bouchon, " en exerçant un couple, Guo a expliqué. "Il génère le mouvement de rotation dans le haut, statique, puis ralentit la rotation de celui du bas. De cette façon, la rotation est transférée du bas vers le haut."

Les résultats étaient doublement excitants, dit Kanaï, qui semblait un peu abasourdi d'être déjà l'auteur principal d'une publication alors qu'il était encore étudiant diplômé en physique à l'État de Floride.

« Après avoir observé la structure du tire-bouchon pour la première fois, nous avions tellement de questions, " dit-il. " Qu'est-ce qui cause cette structure ? Comment la structure affecte-t-elle la dynamique ? La découverte en elle-même était donc très intéressante; mais après ça, comprendre la découverte était aussi très excitant."

Guo a déclaré que leurs travaux pourraient éclairer d'autres domaines de recherche - la matière noire et les étoiles à neutrons au niveau cosmologique et, au niveau quantique, le développement de technologies basées sur le BEC comme les capteurs ou les ordinateurs quantiques, un domaine émergent appelé l'atomtronique.

"Cela peut fournir aux astrophysiciens des informations sur le type de structures qu'ils doivent regarder lorsqu'ils observent le ciel, " dit Guo.

Alors la prochaine fois que vous déboucherez une bouteille de vin et que vous admirerez sa viscosité en tourbillonnant autour de votre verre, porter un toast au couple, à bizarre, condensats inviscids de Bose-Einstein et aux merveilles sans fin de la science.