Pour certains, le bruit d'un "écoulement parfait" pourrait être le doux clapotis d'un ruisseau de forêt ou peut-être le tintement de l'eau versée d'une cruche. Pour les physiciens, un flux parfait est plus spécifique, se référant à un fluide qui s'écoule avec la plus petite quantité de friction, ou viscosité, permis par les lois de la mécanique quantique. Un comportement aussi parfaitement fluide est rare dans la nature, mais on pense qu'il se produit dans les noyaux des étoiles à neutrons et dans le plasma bouillonnant de l'univers primitif.

Maintenant, les physiciens du MIT ont créé un fluide parfait en laboratoire, et écouté comment les ondes sonores le traversent. L'enregistrement est le produit d'un glissando d'ondes sonores que l'équipe a envoyé à travers un gaz soigneusement contrôlé de particules élémentaires connues sous le nom de fermions. Les hauteurs qui peuvent être entendues sont les fréquences particulières auxquelles le gaz résonne comme une corde pincée.

Les chercheurs ont analysé des milliers d'ondes sonores traversant ce gaz, mesurer sa "diffusion sonore, " ou à quelle vitesse le son se dissipe dans le gaz, qui est directement liée à la viscosité d'un matériau, ou friction interne.

Étonnamment, ils ont découvert que la diffusion sonore du fluide était si faible qu'elle était décrite par une quantité "quantique" de friction, donnée par une constante de la nature connue sous le nom de constante de Planck, et la masse des fermions individuels dans le fluide.

Cette valeur fondamentale a confirmé que le gaz de fermion à interaction forte se comporte comme un fluide parfait, et est de nature universelle. Les résultats, publié aujourd'hui dans la revue Science , démontrent la première fois que des scientifiques ont pu mesurer la diffusion du son dans un fluide parfait.

Les scientifiques peuvent maintenant utiliser le fluide comme modèle d'autres, écoulements parfaits plus compliqués, estimer la viscosité du plasma dans l'univers primitif, ainsi que le frottement quantique au sein des étoiles à neutrons, propriétés qui seraient autrement impossibles à calculer. Les scientifiques pourraient même être en mesure de prédire approximativement les sons qu'ils produisent.

"C'est assez difficile d'écouter une étoile à neutrons, " dit Martin Zwierlein, le professeur Thomas A. Franck de physique au MIT. "Mais maintenant, vous pouvez l'imiter dans un laboratoire en utilisant des atomes, secouez cette soupe atomique et écoutez-la, et savoir comment sonnerait une étoile à neutrons."

Alors qu'une étoile à neutrons et le gaz de l'équipe diffèrent considérablement en termes de taille et de vitesse de propagation du son, à partir de quelques calculs approximatifs, Zwierlein estime que les fréquences de résonance de l'étoile seraient similaires à celles du gaz, et même audible - " si vous pouviez approcher votre oreille sans être déchiré par la gravité, " il ajoute.

Les co-auteurs de Zwierlein sont l'auteur principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher, et Julian Struck du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

Robinet, Ecoutez, apprendre

Pour créer un fluide parfait en laboratoire, L'équipe de Zwierlein a généré un gaz de fermions en interaction forte - particules élémentaires, comme les électrons, protons, et les neutrons, qui sont considérés comme les éléments constitutifs de toute matière. Un fermion est défini par son spin demi-entier, une propriété qui empêche un fermion d'assumer le même spin qu'un autre fermion voisin. Cette nature exclusive est ce qui permet la diversité des structures atomiques trouvées dans le tableau périodique des éléments.

« Si les électrons n'étaient pas des fermions, mais heureux d'être dans le même état, hydrogène, hélium, et tous les atomes, et nous-mêmes, aurait la même apparence, comme des terribles, soupe ennuyeuse, " dit Zwierlein.

Les Fermions préfèrent naturellement rester séparés les uns des autres. Mais quand ils sont amenés à interagir fortement, ils peuvent se comporter comme un fluide parfait, avec une très faible viscosité. Pour créer un fluide aussi parfait, les chercheurs ont d'abord utilisé un système de lasers pour piéger un gaz d'atomes de lithium-6, qui sont considérés comme des fermions.

Les chercheurs ont précisément configuré les lasers pour former une boîte optique autour du gaz de fermion. Les lasers étaient réglés de telle sorte que chaque fois que les fermions touchaient les bords de la boîte, ils rebondissaient dans le gaz. Aussi, les interactions entre les fermions ont été contrôlées pour être aussi fortes que le permet la mécanique quantique, de sorte qu'à l'intérieur de la boîte, les fermions devaient entrer en collision les uns avec les autres à chaque rencontre. Cela a transformé les fermions en un fluide parfait.

"Nous devions fabriquer un fluide de densité uniforme, et alors seulement pourrions-nous taper sur un côté, écoute de l'autre côté, et en tirer des leçons, " dit Zwierlein. " C'était en fait assez difficile d'arriver à cet endroit où nous pourrions utiliser le son de cette manière apparemment naturelle. "

"Flux d'une manière parfaite"

L'équipe a ensuite envoyé des ondes sonores à travers un côté du boîtier optique en faisant simplement varier la luminosité de l'un des murs, pour générer des vibrations sonores à travers le fluide à des fréquences particulières. Ils ont enregistré des milliers d'instantanés du fluide au fur et à mesure que chaque onde sonore se propageait.

"Tous ces clichés réunis nous donnent un sonagramme, et c'est un peu comme ce qu'on fait lorsqu'on fait une échographie chez le médecin, " dit Zwierlein.

À la fin, ils ont pu observer l'ondulation de la densité du fluide en réponse à chaque type d'onde sonore. Ils ont ensuite recherché les fréquences sonores qui généraient une résonance, ou un son amplifié dans le fluide, semblable à chanter dans un verre de vin et trouver la fréquence à laquelle il se brise.

"La qualité des résonances me renseigne sur la viscosité du fluide, ou diffusivité sonore, " explique Zwierlein. " Si un fluide a une faible viscosité, il peut créer une onde sonore très forte et être très fort, si frappé juste à la bonne fréquence. S'il s'agit d'un fluide très visqueux, alors il n'a pas de bonnes résonances."

A partir de leurs données, les chercheurs ont observé des résonances claires à travers le fluide, notamment aux basses fréquences. De la distribution de ces résonances, ils ont calculé la diffusion sonore du fluide. Cette valeur, ils ont trouvé, pourrait aussi être calculé très simplement via la constante de Planck et la masse du fermion moyen dans le gaz.

Cela a dit aux chercheurs que le gaz était un fluide parfait, et fondamental par nature :Sa diffusion sonore, et donc sa viscosité, était à la limite la plus basse possible fixée par la mécanique quantique.

Zwierlein dit qu'en plus d'utiliser les résultats pour estimer le frottement quantique dans une matière plus exotique, comme les étoiles à neutrons, les résultats peuvent être utiles pour comprendre comment certains matériaux peuvent être rendus parfaits, flux supraconducteur.

"Ce travail se rattache directement à la résistance des matériaux, " dit Zwierlein. " Après avoir déterminé quelle est la plus faible résistance que vous pourriez avoir d'un gaz nous dit ce qui peut arriver avec les électrons dans les matériaux, et comment on pourrait fabriquer des matériaux où les électrons pourraient circuler de manière parfaite. C'est excitant."