Fusion de la dynamique de deux BEC, un tournant et un fixe. L'évolution de la densité de chaque goutte est indiquée dans la rangée du haut, et le transfert de moment angulaire est indiqué dans la rangée du bas. Le moment angulaire est transféré en raison de l'émergence spontanée d'une structure en tire-bouchon à l'interface. Crédit :Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique.
Si une goutte de crème liquide tombe d'une cuillère dans une tasse de café tourbillonnante, le bain à remous entraîne la goutte en rotation. Mais que se passerait-il si le café n'avait pas de friction – aucun moyen de tirer la goutte dans un essorage synchronisé ?
Les superfluides, également appelés fluides quantiques, apparaissent dans un large éventail de systèmes et d'applications. Par exemple, les superfluides cosmologiques se mélangent lors des fusions d'étoiles à neutrons, et les scientifiques utilisent de l'hélium superfluide pour refroidir les machines d'imagerie par résonance magnétique (IRM).
Les fluides ont des propriétés uniques et utiles régies par la mécanique quantique, un cadre généralement utilisé pour décrire le domaine du très petit. Pour les superfluides, cependant, ces propriétés de mécanique quantique dominent sur une plus grande, échelle macroscopique. Par exemple, les superfluides manquent de viscosité, une sorte de friction interne qui permet au fluide de résister et de provoquer un mouvement.
Ce manque de viscosité confère aux liquides des capacités inhabituelles, comme voyager librement à travers des tuyaux sans perte d'énergie ou rester immobile à l'intérieur d'un conteneur en rotation. Mais quand il s'agit de mouvement de rotation, les scientifiques ont du mal à comprendre comment les superfluides en rotation transfèrent le moment angulaire, une qualité qui indique à quelle vitesse les liquides vont tourner.
Dans une étude récente, des scientifiques du département américain de l'énergie (DOE) Argonne National Laboratory ont collaboré avec des scientifiques du National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) à Tallahassee, Floride, et l'Université de la ville d'Osaka au Japon pour effectuer des simulations informatiques avancées de fusion de superfluides en rotation, révélant un mécanisme particulier en forme de tire-bouchon qui entraîne les fluides en rotation sans avoir besoin de viscosité.
Lorsqu'une goutte de pluie en rotation tombe dans un étang, la viscosité permet à la goutte d'entraîner l'eau environnante en rotation, générer des tourbillons ou des courants de Foucault dans le processus. Cette traînée visqueuse réduit la différence de mouvement entre les deux corps. Un superfluide, cependant, permet cette différence.
Le mécanisme tire-bouchon, montré dans une image de densité d'un échantillon BEC (à gauche) et dans une image de transfert de moment angulaire (à droite). Crédit :Université d'État de Floride.
"Les atomes restent à peu près au même endroit lorsque les superfluides transfèrent le moment angulaire, contrairement aux courants de Foucault dans les fluides classiques, " dit Dafei Jin, chercheur au Centre des matériaux nanométriques d'Argonne (CNM), une installation utilisateur du DOE Office of Science. "Plutôt que par convection de particules, il est plus efficace pour les atomes superfluides de transférer le moment angulaire par le biais d'interactions de mécanique quantique."
Ces interactions de mécanique quantique donnent lieu à un effet envoûtant, exposées dans les simulations de l'équipe réalisées à l'aide du cluster informatique Carbon au CNM. Les scientifiques ont simulé la fusion de gouttes rotatives et stationnaires d'un état de matière superfluide appelé condensat de Bose-Einstein (BEC).
"Nous avons choisi de simuler les condensats de Bose-Einstein car ce sont des systèmes superfluides relativement généraux qui présentent des caractéristiques partagées par divers autres fluides quantiques, " dit Wei Guo, professeur à la Florida State University (FSU) et chercheur au MagLab.
Toshiaki Kanai, un étudiant diplômé de Guo dans le département de physique de la FSU, a dirigé la conception des simulations, qui modélisent l'interaction entre deux gouttes BEC à partir du moment où elles entrent en contact jusqu'à ce qu'elles fusionnent complètement. Tsubota Makoto, professeur à l'Université de la ville d'Osaka et expert en simulation des fluides quantiques, a également contribué à la conception du projet et à l'interprétation des résultats.
"Nous avons été particulièrement chanceux de travailler avec Dafei Jin au CNM, qui nous a aidé à résoudre de nombreux défis techniques, " dit Guo, un collaborateur de longue date avec Jin, "Et Argonne possède des grappes d'ordinateurs et d'autres ressources de calcul qui nous ont permis d'effectuer efficacement la simulation plusieurs fois dans différentes conditions pour obtenir des résultats systématiques."
Au fur et à mesure que les gouttes se rapprochent, la forme en tire-bouchon apparaît spontanément et se prolonge dans les deux gouttes, grandissant en taille et en influence jusqu'à ce que les deux gouttes soient mélangées et tournent à la même vitesse.
"Il ne ressemble pas seulement à un tire-bouchon, sa fonctionnalité est similaire, trop, " a déclaré Jin. " Il transfère le moment angulaire en se tordant dans les échantillons, les obligeant à accélérer ou à ralentir leur rotation.
Le résultat de la simulation est applicable à de nombreux systèmes BEC de laboratoire de différentes tailles, de dizaines de nanomètres à des centaines de microns, voire des millionièmes de mètres. Les résultats sont également vrais pour les systèmes superfluides plus grands. Malgré les différences d'échelle, tous les systèmes superfluides présentent des propriétés fondamentales communes liées à leur nature quantique.
« Bien que nous nous soyons concentrés sur un très petit système, les résultats sont généraux, ", a déclaré Guo. « Les connaissances que nous avons acquises sur la façon dont ces interactions se produisent peuvent aider les physiciens à éclairer les modèles de systèmes allant des atomes ultrafroids à l'échelle nanométrique aux superfluides à l'échelle cosmologique dans les systèmes astrophysiques. »
Par exemple, l'hélium superfluide peut exister aux échelles centimétrique et métrique, et les BEC dans les étoiles à neutrons peuvent être, bien, taille astronomique. Lorsque les étoiles à neutrons fusionnent, ils agissent comme deux très grands, gouttes superfluides en rotation à certains égards, et la découverte du mécanisme du tire-bouchon pourrait éclairer les modèles astrophysiques de ces fusions.
Les scientifiques espèrent tester leur découverte théorique du mécanisme du tire-bouchon par l'expérimentation. Les liquides quantiques ont des implémentations dans les systèmes d'atomes froids, superfluides, supraconducteurs et plus, et la recherche scientifique fondamentale de leur comportement aidera au développement d'applications de ces systèmes.
