Chaque fluide, de l'atmosphère terrestre au sang pompé dans le corps humain, a une viscosité, une caractéristique quantifiable décrivant la façon dont le fluide se déforme lorsqu'il rencontre une autre matière. Si la viscosité est plus élevée, le fluide s’écoule calmement, état dit laminaire. Si la viscosité diminue, le fluide subit la transition d'un écoulement laminaire à un écoulement turbulent.

Le degré d'écoulement laminaire ou turbulent est appelé nombre de Reynolds, qui est inversement proportionnel à la viscosité. La loi de Reynolds de similarité dynamique, également connue sous le nom de similitude de Reynolds, stipule que si deux fluides s'écoulent autour de structures similaires avec des échelles de longueur différentes, ils sont hydrodynamiquement identiques, à condition qu'ils présentent le même nombre de Reynolds.

Cependant, cette similitude de Reynolds ne s’applique pas aux superfluides quantiques, car ils n’ont pas de viscosité – du moins c’est ce que croient les chercheurs. Aujourd'hui, un chercheur de l'Institut Nambu Yoichiro de physique théorique et expérimentale de l'Université métropolitaine d'Osaka au Japon a théorisé un moyen d'examiner la similitude de Reynolds dans les superfluides, ce qui pourrait démontrer l'existence d'une viscosité quantique dans les superfluides.

Le Dr Hiromitsu Takeuchi, maître de conférences à la Graduate School of Science de l'Université métropolitaine d'Osaka, a publié son approche dans Physical Review B .

"Les superfluides ont longtemps été considérés comme une exception évidente à la similitude de Reynolds", a déclaré le Dr Takeuchi, expliquant que la loi de similitude de Reynolds stipule que si deux flux ont le même nombre de Reynolds, alors ils sont physiquement identiques. "Le concept de viscosité quantique bouleverse le bon sens de la théorie des superfluides, qui a une longue histoire de plus d'un demi-siècle. Établir une similitude dans les superfluides est une étape essentielle pour unifier l'hydrodynamique classique et quantique."

Cependant, les superfluides quantiques peuvent avoir des turbulences, ce qui entraîne un dilemme quantique :la turbulence dans les fluides nécessite une dissipation, alors comment la turbulence superfluide peut-elle subir une dissipation sans viscosité ? Ils doivent être dissipés et peuvent suivre la similitude de Reynolds, mais la bonne approche pour l'examiner n'a pas encore été développée.

Ces caractéristiques pourraient être examinées, théorise le Dr Takeuchi, en analysant comment une sphère solide se transforme en superfluide. En combinant la vitesse terminale de chute de la sphère avec la résistance que la sphère rencontre du fluide lors de sa chute, les chercheurs peuvent déterminer un analogue de la similitude de Reynolds. Cela signifie que la viscosité effective, appelée viscosité quantique, peut être mesurée.

"Cette étude se concentre sur une question théorique liée à la compréhension de la turbulence quantique dans les superfluides et montre que la similitude de Reynolds dans les superfluides peut être vérifiée en mesurant la vitesse terminale d'un objet tombant dans un superfluide", a déclaré le Dr Takeuchi.

"Si cette vérification peut être faite, alors cela suggère que la viscosité quantique existe même dans les superfluides purs au zéro absolu. J'ai hâte de la voir vérifiée par l'expérimentation."

Plus d'informations : Hiromitsu Takeuchi, Viscosité quantique et similitude Reynolds d'un superfluide pur, Physical Review B (2024). DOI :10.1103/PhysRevB.109.L020502

Informations sur le journal : Examen physique B

Fourni par l'Université métropolitaine d'Osaka