Vous n’avez pas à vous inquiéter qu’une boisson gazeuse déborde spontanément de son bord ou qu’elle jaillisse de la paille dans laquelle vous essayez de boire. C’est parce que les boissons gazeuses n’ont rien à voir avec l’hélium superfluide montré dans cette vidéo.
Les chercheurs savent depuis des décennies que si vous refroidissez l’hélium liquide juste quelques degrés en dessous de son point d’ébullition de -452 degrés Fahrenheit (-269 degrés Celsius), il sera soudainement capable de faire des choses que les autres fluides ne peuvent pas faire, comme s’égoutter à travers des fissures minces comme des molécules, grimper et passer par-dessus les côtés d’un plat, et rester immobile lorsque son récipient est tourné.
Non plus un simple liquide, l’hélium est devenu un superfluide – un liquide qui coule sans friction. « Si vous posez une coupelle dans laquelle circule un liquide et que vous revenez 10 minutes plus tard, il est évident qu’il a cessé de bouger », explique John Beamish, physicien expérimental à l’université d’Alberta à Edmonton. Les atomes du liquide entrent en collision les uns avec les autres et ralentissent. « Mais si vous faisiez cela avec de l’hélium à basse température et que vous reveniez un million d’années plus tard, » dit-il, « il serait toujours en mouvement. »
Comme beaucoup d’autres expériences de physique qui vous font faire « Huh ? »- la superfluidité découle des règles contre-intuitives de la mécanique quantique. Mais contrairement à d’autres phénomènes quantiques, le comportement étrange de l’hélium superfluide est visible à l’œil nu.
Un signe précoce du comportement étrange de l’hélium a été observé dès 1911 par la physicienne néerlandaise et lauréate du prix Nobel de physique en 1913, Heike Kamerlingh Onnes, un maître de la réfrigération qui a été le premier à liquéfier l’hélium. Onnes a découvert que l’hélium (techniquement, l’isotope 4 de l’hélium) commençait à conduire facilement la chaleur en dessous de -455,67 degrés F (-270,92 degrés C), également connu sous le nom de point lambda.
Ce n’est qu’en 1938 que le physicien russe Pyotr Kapitsa et, indépendamment, le duo britannique de John Allen et Don Misener ont mesuré le débit d’hélium en dessous de cette température à travers une paire de disques de verre attachés à un plongeur et un long tube de verre fin, respectivement. La viscosité était si faible que Kapitsa, qui a reçu son propre prix Nobel pour ce travail, a inventé le terme « superfluide » pour le décrire – après « supraconducteur », terme désignant un matériau qui conduit des courants électriques très élevés sans résistance.
La clé de cet effet est la capacité unique de l’hélium à rester liquide jusqu’au zéro absolu (-459,67 degrés F, ou -273,15 degrés C), la température à laquelle les atomes cessent théoriquement de bouger. Lorsque la plupart des liquides sont refroidis, la légère attraction entre les atomes du fluide commence enfin à vaincre les vibrations de la chaleur, et les particules s’installent dans un ordre régulier, à savoir un solide. Mais les atomes d’hélium sont si légers et si faiblement attirés les uns par les autres que, même lorsque les mouvements atomiques ordinaires se sont apaisés, les atomes s’agitent avec un mouvement de point zéro, un léger élan imparti par le principe d’incertitude quantique. Par conséquent, ils ne s’installent jamais à l’état solide.
La liquidité de l’hélium à basse température lui permet d’effectuer une transformation appelée condensation de Bose-Einstein, dans laquelle les particules individuelles se chevauchent jusqu’à se comporter comme une seule grosse particule. Les atomes agissant à l’unisson ne se comportent pas comme des atomes individuels. « Si vous marchez à l’unisson, vous n’entrez pas en collision les uns avec les autres », explique Moses Chan, qui étudie la superfluidité à l’Université d’État de Pennsylvanie à University Park.
Les chercheurs aiment penser à l’hélium superfluide comme à un mélange de deux fluides, un normal et un superfluide. Différentes expériences font ressortir les caractères contrastés des deux fractions. L’expérience la plus simple consiste à observer un récipient rempli d’hélium liquide qui se met soudainement à fuir lorsqu’il est refroidi en dessous du point lambda et que la fraction superfluide sans frottement commence à s’écouler par des fissures microscopiques dans lesquelles la fraction liquide normale ne peut pas entrer. (« Les « super-fuites » ont été le fléau des scientifiques travaillant avec l’hélium liquide depuis les premiers jours, dit Beamish). Mais si l’on remue le même hélium comme du café, la fraction liquide normale résistera au mouvement, conférant après tout une viscosité au mélange superfluide.
A mesure que la température baisse, la fraction superfluide prend une part plus importante du mélange. Dans l’expérience de référence du domaine, les chercheurs mesurent le rapport entre les deux fractions en plaçant un échantillon dans un récipient métallique cylindrique suspendu par un fil. Lorsqu’ils donnent une torsion au fil, le cylindre tourne dans un sens puis dans l’autre. Mais seule la fraction normale tourne avec le cylindre, en raison de la friction entre elle et les parois du cylindre ; la fraction superfluide traverse le fluide normal et reste immobile. Au fur et à mesure que la fraction superfluide augmente, le cylindre tourne plus vite, comme si le cylindre perdait du poids (techniquement, de l’inertie).
La double nature de l’hélium superfluide est à nouveau à l’œuvre lorsqu’il grimpe sur les parois d’un récipient. (Regardez cette vidéo de l’effet sur YouTube.) N’importe quel liquide recouvre les parois d’un plat dans lequel il se trouve – grâce, là encore, à la légère attraction entre les atomes – mais la friction interne du liquide limite la distance à laquelle le revêtement peut s’étendre. Dans le cas de l’hélium superfluide, le film sans friction glisse sur l’ensemble du récipient, créant une sorte d’arène à travers laquelle le superfluide peut s’écouler. Si le liquide a un endroit où tomber après être sorti de la coupelle, il s’égouttera du fond du récipient jusqu’à ce qu’il siphonne tout le superfluide accumulé au-dessus de lui.
Le même principe sous-tend une autre démonstration célèbre dans laquelle le superfluide jaillit rapidement d’un tube de verre ouvert et chauffé, rempli de poudre fine au fond. Appelée la fontaine de superfluide, elle se produit parce que le superfluide à l’extérieur du tube se précipite pour refroidir le superfluide qui a été réchauffé par l’intérieur du tube. (Allen, le codécouvreur de la superfluidité, aurait découvert l’effet après avoir braqué une lampe de poche sur un tube de verre rempli d’hélium liquide.)
Les travaux sur l’hélium superfluide ont déjà rapporté trois prix Nobel et pourraient en rapporter davantage. En 2004, Chan et Eun-Seong Kim, de Penn State, ont fait tourner un anneau rempli d’hélium solide à 26 atmosphères de pression et ont constaté qu’en refroidissant l’hélium en dessous de la température critique, la fréquence de rotation augmentait, tout comme pour l’hélium liquide. Une demi-douzaine de laboratoires, dont celui de Beamish, étudient l’effet « supersolide », mais les chercheurs ne savent toujours pas quels éléments du solide se condenseraient en un seul état de Bose-Einstein.
L’astuce consiste maintenant à voir si le supersolide peut produire l’équivalent de super-fuites ou d’autres super-effets bien connus. « Si d’autres propriétés uniques peuvent être démontrées de manière convaincante », dit Beamish, « tout le monde serait d’accord pour dire qu’il s’agit d’une nouvelle phase de la matière ».
