Des scientifiques de la Graduate School of Engineering Science de l'Université d'Osaka ont montré comment les nanoparticules de silicium peuvent être piégées à l'intérieur des tourbillons qui se forment à l'intérieur de l'hélium superfluide. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités dans la recherche optique pour d'autres propriétés quantiques de l'hélium superfluide, telles que la manipulation optique de vortex quantifiés en raison de la forte interaction entre la lumière et les nanoparticules de silicium.

Les règles de la mécanique quantique peuvent nous sembler très étrangères, avec des particules qui agissent parfois comme des ondes et inversement. Normalement, nous nous attendons à ce que le comportement quantique étrange soit limité à de très petites échelles. Cependant, lorsque certains matériaux, comme l'hélium-4, sont refroidis à des températures très basses, l'ondulation a des effets apparents même à l'échelle macroscopique.

Cet hélium "surfondu" est un exemple de condensation de Bose-Einstein, dans laquelle les ondes représentant les atomes se chevauchent jusqu'à ce que l'ensemble du fluide agisse presque comme une seule particule. Ce processus n'a pas d'analogue classique et est un système utile pour tester les théories de la mécanique quantique, car la transition vers un superfluide dans l'hélium-4 se produit à des températures relativement accessibles. Cependant, il est toujours nécessaire de pouvoir visualiser le mouvement du superfluide.

Maintenant, une équipe de chercheurs dirigée par l'Université d'Osaka a utilisé des nanoparticules de silicium pour aider à montrer les caractéristiques de l'hélium superfluide, similaire au lancer de cailloux pour aider à visualiser l'écoulement de l'eau dans une cascade. "Nous avons pu fournir des preuves expérimentales directes que les nanoparticules de silicium denses sont attirées par les vortex quantifiés et se stabilisent le long du noyau du vortex", déclare le premier auteur Yosuke Minowa.

L'une des propriétés particulières de l'hélium superfluide est que tout mouvement de rotation ne peut se produire que sous la forme de tourbillons quantifiés. Ce sont de minuscules tourbillons discrets qui transportent chacun une quantité fixe de moment cinétique. Les scientifiques ont utilisé la technique des nanoparticules pour étudier le processus de reconnexion des tourbillons, dans lequel des lignes de tourbillons fusionnent et échangent leurs parties. En raison de la diffusion de la lumière par les nanoparticules, les lignes de vortex étaient clairement visibles.

"Notre technique proposée nous permet d'utiliser de nombreux matériaux différents comme particules traceurs de tourbillons quantifiés", explique Minowa. L'étude des tourbillons quantifiés dans l'hélium superfluide peut aider les scientifiques à mieux comprendre les systèmes quantiques plus exotériques, tels que le courant critique dans les supraconducteurs à haute température.

L'article "Visualization of quantized vortex reconnection enabled by laser ablation" a été publié dans Science Advances . + Explorer plus loin

Agitation d'un superfluide avec un laser