superfluidité

superfluidité, état de la matière fluide, caractérisé par une absence complète de viscosité ou de résistance à l’écoulement. Le terme superfluidité désigne principalement les phénomènes observés dans l’hélium liquide à des températures très basses. Le terme se réfère parfois à la circulation sans frottement des électrons dans certains métaux et alliages, à de très basses températures. Voir Cryogénie ; Supraconductivité.

Le phénomène de la superfluidité fut indépendamment découvert en 1937 par le physicien russe Piotr Kapitsa, et en 1938 par le physicien britannique John Frank Allen et son équipe. Ils remarquèrent que l’hélium liquide (⁴He) refroidi en dessous de 2,17 K pouvait s’écouler librement à travers des orifices extrêmement petits, cela étant impossible au-dessus de cette température. Ils constatèrent également que, sur les parois de son récipient, l’hélium superfluide formait un film très fin (d’une épaisseur d’environ 100 atomes) qui s’écoulait vers le haut, dans le sens inverse de la gravité. La température égale à 2,17 K est appelée point lambda (λ), car la courbe de la chaleur spécifique de l’hélium liquide présente un maximum en forme de lambda à cette température.

À pression ambiante, l’hélium se liquéfie à 4,2 K. À une température comprise entre 4,2 K et le point lambda, l’hélium se comporte comme un liquide normal, c’est l’hélium I. L’hélium II est l’état liquide de l’hélium aux températures inférieures au point lambda. Outre sa superfluidité, l’hélium II a des caractéristiques particulières. Sa conductivité thermique est élevée : elle est égale à environ 3 millions de fois celle de l’hélium I. L’hélium superfluide (hélium II) s’écoule spontanément d’une zone froide vers une zone plus chaude, alors que l’hélium I se déplace dans l’autre sens. En outre, si un flux d’hélium superfluide est induit, des différences de température apparaissent spontanément dans le liquide.

D’après les scientifiques, l’hélium II est constitué d’un mélange d’atomes superfluides et d’atomes normaux. La proportion d’atomes superfluides augmente lorsque la température s’approche du zéro absolu (voir Température). Les atomes superfluides sont dans leur état de plus faible énergie (état fondamental), par conséquent ils n’ont pas d’énergie thermique. L’absence de frottement est due au fait que ces atomes n’interagissent pas avec d’autres atomes. L’absence d’énergie thermique dans les atomes superfluides explique également leurs propriétés thermiques inhabituelles. La haute conductivité thermique de l’hélium II est due à la circulation des atomes d’hélium normal, transportant une énergie thermique vers une zone de température inférieure, et à la circulation des atomes superfluides vers la zone plus chaude, où ils sont transformés en atomes normaux. L’isotope stable hélium-3 présente également des caractéristiques de superfluidité, mais uniquement à des températures inférieures à 9,3.10^-4 K.