superfluidité.

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superfluidité. n.f. PHYSIQUE : état quantique de la matière, rencontré dans l'hélium liquide
à basse température, caractérisé notamment par une viscosité apparemment nulle et des
propriétés thermodynamiques remarquables, entre autres une conductivité thermique
presque infinie, due à des « ondes thermiques » analogues à des ondes sonores.

Un liquide complètement fluide.
Lorsqu'on le refroidit, l'isotope 4 de l'hélium devient liquide sous la pression atmosphérique
à 4,216 K, puis subit une transition de phase au point lambda (2,18 K) où il passe à l'état
superfluide. La propriété la plus spectaculaire de cet état est l'absence de toute trace de
viscosité lors de l'écoulement du liquide à travers des tubes capillaires, aussi fins soient-ils.
La formation de films capillaires illimités fait que l'hélium superfluide contenu dans un
récipient grimpe spontanément le long des parois, s'échappe du récipient et se répand
alentour. De nombreuses autres propriétés surprenantes ont également été décrites
depuis la découverte, en 1938, de cette phase superfluide par Kapitsa. Parmi celles-ci
figure le fait que la capillarité mesurée par d'autres méthodes que l'écoulement
(amortissement de la rotation d'un disque tournant dans le liquide) donne une valeur finie,
semblable à celle d'un liquide normal.

Le modèle à deux fluides.
Le modèle phénoménologique proposé par Tisza est celui d'un mélange de deux fluides
distincts, le superfluide et le fluide normal. Au superfluide appartiennent les propriétés de
viscosité nulle dans un capillaire et l'impossibilité de mettre de l'hélium superfluide en
rotation comme on peut le faire pour un liquide normal. Du fluide normal dépend l'existence
d'une viscosité finie lorsqu'on déplace un objet dans le liquide. Le couplage entre les deux
fluides est responsable de l'existence du « second son », c'est-à-dire d'ondes analogues à
des ondes sonores dans un liquide, mais dans lesquelles les deux fluides (le super et le
normal) oscillent en opposition de phase : de telles ondes, qui ont été mises en évidence
et dont la vitesse a été mesurée, ne donnent pas lieu à des vibrations mécaniques, mais à
des vibrations thermiques.

Le modèle de Landau.
Le physicien soviétique Lev Davidovitch Landau a donné dès 1941 une explication
théorique du phénomène reprenant en partie l'idée avancée en 1938 par Fritz London,
suivant laquelle les atomes d'hélium, formés d'un nombre pair de fermions (2 électrons,
2 protons et 2 neutrons), sont des bosons et subissent donc le phénomène de la
« condensation de Bose-Einstein » : en dessous d'une certaine température de transition,
toutes les particules du fluide se trouvent regroupées dans un « état quantique
macroscopique », que London identifiait à l'état superfluide. Pour Landau, le modèle de
London, valable pour des particules sans interaction, ne pouvait convenir à l'hélium, où

l'existence d'une phase liquide était la preuve que des interactions existaient. Ces
interactions devaient donc se manifester. Lorsqu'on excite des particules, par exemple en
en mettant certaines en mouvement alors que d'autres restent au repos, on leur transmet
une certaine énergie. Dans un système quantique macroscopique, la nature des états
d'énergie accessibles est imposée par ce caractère quantique, et le génie de Landau fut de
deviner quel devait être le spectre d'énergie des états accessibles. Ensuite, il identifia les
particules dans un état excité à des « quasi-particules » indépendantes les unes des autres
et formant une sorte de « gaz ». Enfin, il montra que ce gaz de quasi-particules pouvait de
façon satisfaisante s'identifier à la composante « normale » du modèle à deux fluides, la
composante superfluide étant formée par l'état condensé de la condensation de BoseEinstein. Ce modèle, qui valut à son auteur le prix Nobel, est bien confirmé par l'ensemble
des propriétés expérimentales, quoiqu'il cesse d'être quantitatif aux abords de la transition.
L'isotope 3 de l'hélium, bien qu'étant un fermion, présente cependant un état
superfluide à une température de l'ordre du millikelvin. Difficile à observer et moins
spectaculaire que celui de l'hélium-4, cet état est cependant remarquable, car il résulte d'un
appariement des atomes aboutissant à la formation de paires analogues aux « paires de
Cooper » de la supraconductivité. Par un mécanisme identique, on suppose que les étoiles
à neutrons observées comme pulsars sont également dans un état superfluide.
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Les corrélats
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Kapitsa Petr Leonidovitch
Landau Lev Davidovitch
onde
pulsar
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