Une expérience a enfin révélé ce que l’on pourrait ressentir en touchant un superfluide quantique.
Les physiciens ont plongé une sonde spéciale de la taille d’un doigt dans un isotope d’hélium refroidi juste un peu au-dessus du zéro absolu et y ont enregistré les propriétés physiques.
C’est, disent-ils, la première fois que nous avons une idée de ce à quoi pourrait ressembler l’Univers quantique. Et personne n’a eu besoin d’avoir d’horribles engelures ou de gâcher une expérience pour le découvrir réellement.
« En termes pratiques, nous ne connaissons pas la réponse à la question ‘Qu’est-ce que ça fait de toucher à la physique quantique ?' » dit le physicien Samuli Autti de l’Université de Lancaster au Royaume-Uni, qui a dirigé la recherche.
« Ces conditions expérimentales sont extrêmes et les techniques compliquées, mais je peux maintenant vous dire ce que vous ressentiriez si vous pouviez mettre la main dans ce système quantique. Personne n’a été en mesure de répondre à cette question au cours des 100 ans d’histoire de la physique quantique. Nous montrons maintenant que, au moins dans le superfluide 3Lui, cette question peut trouver une réponse.
Les superfluides sont un état de la matière qui se comportent comme un fluide sans viscosité ni friction. Il existe deux isotopes de l’hélium capables de créer un superfluide. Lorsqu’il est refroidi juste au-dessus du zéro absolu (−273,15 degrés Celsius ou −459,67 degrés Fahrenheit), bosons de l’isotope hélium-4 ralentit suffisamment pour se chevaucher en un amas d’atomes à haute densité qui se comportent comme un seul superatome.
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Hélium-3 est un peu différent. Ses noyaux sont fermions, une classe de particules qui tournent différemment des bosons. Lorsqu’ils sont refroidis en dessous d’une certaine température, les fermions se lient ensemble dans ce qu’on appelle Paires de tonnelierschacun composé de deux fermions qui forment ensemble un composite boson. Ces paires de Cooper se comportent exactement comme des bosons, et peuvent ainsi former un superfluide.
Autti et son équipe expérimentent depuis un certain temps le superfluide fermionique hélium-3 et ont découvert que, bien que les paires de Cooper soient assez fragiles, les chercheurs peuvent insérer un fil à l’intérieur sans casser les paires, ou perturbant même le flux du superfluide. L’équipe a donc décidé de concevoir une sonde pour étudier de près et personnellement les propriétés du fluide.
Et bien, c’est vraiment bizarre. La surface du fluide semble former une couche bidimensionnelle indépendante qui éloigne la chaleur de la tige. La majeure partie du superfluide en dessous agit presque comme un vide ; c’est entièrement passif et ne ressemble à rien du tout, ont découvert les chercheurs.
La seule partie du fluide qui interagissait avec la sonde était cette couche superficielle bidimensionnelle. La masse ne devient accessible que si une énorme explosion d’énergie lui est transmise. Les propriétés thermomécaniques du superfluide sont entièrement définies par cette couche bidimensionnelle.
« Ce liquide semblerait bidimensionnel si vous pouviez y insérer votre doigt. La majeure partie du superfluide semble vide, tandis que la chaleur circule dans un sous-système bidimensionnel le long des bords de la masse, en d’autres termes, le long de votre doigt. » Autti dit.
« Cela redéfinit également notre compréhension du superfluide (hélium-3). Pour le scientifique, cela pourrait avoir encore plus d’influence que la physique quantique. »
Selon les chercheurs, les implications sont profondes. Le superfluide Hélium-3 est le matériau connu le plus puret en tant que tel, présente un intérêt scientifique intense pour l’étude de états de matière collective comme les superfluides. Comprendre le comportement de sa couche bidimensionnelle pourrait éclairer quasiparticule comportement, défauts topologiques et états d’énergie quantique.
« Ces pistes de recherche », les chercheurs écrivent« ont le potentiel de transformer notre compréhension de ce système quantique macroscopique polyvalent ».
La recherche est doit apparaître dans Communications naturelleset est disponible sur arXiv.
