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Connaissez vous les superfluides



  1. #1
    sai
    hé hé, Salut!

    je viens de tomber sur un article qui parle de l'Helium superfluide et de ses propriétés.
    Si vous ne savez pas ce qu'est un superfluide, je vous conseil vivement de lire la citation suivante, c'est vraiment hallucinant

    Nous connaissons les propriétés habituelle d'un liquide, y compris dans ses différents changements d'état. L'eau pur par exemple, à la pression normale se cristallise à 0°C et occupe plus de place que l'eau liquide, tandis que la vapeur d'eau se condense et coule sur une paroi glacée. A l'état liquide, elle reste évidemment sous l'influence locale de la gravitation. L'agencement de ses atomes est suffisamment élastique pour épouser le fond d'une cavité, le liquide stagnant au fond d'un récipient.

    Ces phénomènes sont naturels. Croire le contraire serait presque irrationnel... Ils furent malgré tout démontrés par la thermodynamique des fluides pour satisfaire notre soif insatiable de savoir. Au fil des expériences, le physicien soviétique Lev Landau changea de liquide et un jour, au lieu de l'eau il choisit de l'hélium. Mais cet élément gazeux n'est liquide qu'à très basse température, à -269°C où il semble entrer en ébullition. Plus bas encore, à -271°C il change à nouveau d'état, le liquide se calme et devient ce que Landau appelle un "superfluide"[24]. Il change de nom pour devenir l'hélium-II.

    A cette température proche de 2 K seulement, les paires d'électrons qui constituent l'atome d'hélium se mettent à vibrer en cohérence, à l'instar des photons du rayonnement laser. Ces particules quantiques préfèrent le comportement collectif à l'individualité et font partie de la classe des bosons. L'hélium-II superfluide se trouve dans un état tout différent de l'eau. Placé dans un verre, il remonte les parois par viscosité et s'étale sur la table avant de s'immobiliser. Si on enferme ce liquide dans un récipient clos déposé sur une table en rotation, l'hélium superfluide gardera une immobilité intangible par rapport aux étoiles, sans subir le mouvement du plateau, ni même la rotation de la Terre. L'espace devient son référentiel d'inertie, appliquant parfaitement le principe de Mach. Le comportement étonnant de l'hélium-II superfluide ne s'arrête pas là. L'expérience démontre, à la plus grande stupéfaction de chacun, que ce liquide s'écoulera plus rapidement et sans perdre d'énergie dans un fin capillaire que dans un tube ordinaire. Ce supraconducteur a perdu sa résistance et dissipe très peu d'énergie. Si l'on essaye de le réchauffer localement, rien n'y fait et toute la masse liquide prend la même température. S’il peut être traversé par un champ magnétique au dessus de la température de transition, en-dessous de celle-ci le supraconducteur écarte les lignes du champ, les forçant à le contourner.
    Quand je vous disez que c'est hallucinant, c'etait pas pour rire

    -----
    Lao Tseu a dit:" quand la riviere coule; les rochers se lavent" .... comprenne qui pourra!

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  3. #2
    seb
    Salut !
    Je me souviens effectivement d'avoir vu des photos d'helium II remontant les parois d'un tube, c'est impressionnant...
    mais ça faisait longtemps que j'en avais pas entendu parlé.

    A+

    seb

  4. #3
    Max
    Oui, c'est une manifestation spectaculaire de la coherence quantique, et dans ce cas present elle se manifeste par une viscosite nulle.

    Max

  5. #4
    Yoyo
    impressionant en effet
    y'a t'il d'autres composes qui se comportent de la meme maniere ou est-ce specifique a l'helium ?

    Yoyo

  6. #5
    Max
    Tout les composes bosoniques (spin global entier) peuvent en principe se condenser dans l'etat de Bose-Einstein.

    Max

  7. A voir en vidéo sur Futura
  8. #6
    Yoyo
    Citation Envoyé par Max
    Tout les composes bosoniques (spin global entier) peuvent en principe se condenser dans l'etat de Bose-Einstein.

    Max
    Heuuuu merci pour ta reponse,mais c'est un peu chinois pour moi
    Tu pourrais donner des exemples?

    Merci
    Yoyo

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  10. #7
    seb
    L'état de superfluide est assimilé à un condensat de Bose-Einstein ???

  11. #8
    Max
    Citation Envoyé par seb
    L'état de superfluide est assimilé à un condensat de Bose-Einstein ???
    ben en fait, la superfluidite est une consequence de la condensation de Bose-Einstein. Il peut y avaoir d'autres manifestation, comme les interferences, ou la supraconduction (condensation de paires d'electrons).

    Pour repondre a Yoyo,
    De maniere generale il existe deux familles de particules qui se comportent de maniere distincte. Les fermion (ex: electrons), qui ont un spin demi-entier, obehissent a la statistique de Fermi-Dirac et au principe d'exclusion de Pauli. Deux fermions dans le meme etat quantique (spin, vitesse, energie etc..) ne peuvent coexister au meme endoit (voir aussi le principe d'incertitude pour ce qui est relatif a la position). C'est ce comportement qui regie entre autre la formation et l'agencement des orbitales electronique et des liaisons chimiques.
    L'autre famille est celle des Bosons (ex: photons), et eux obehissent a la statistique de Bose-Einstein et ne se comportent pas du tout de la meme maniere que les fermions. Des bosons d'etat quantique identique peuvent coexister au meme endroit, et cet situation est precisement un condensat de Bose-Einstein, un etat de coherence quantique! D'ailleur l'effet laser est aussi interprete comme une condensation de B-E d'un gaz de photons.
    Cet etat unique de la matiere a pour consequence la disparition de la nature individuelle de chaque particule concernee. Comme elles ont toutes le meme etat quantique, il y a une indiscernabilite qui fait que l'ensemble de ces particules se comporte comme une seule et unique entite. De ce fait disparait les "frottements" entre particule ce qui donne lieu a la superfluidite.

    Maintenant, si on considere un ensemble de particulee, un atome par exemple (neutrons, protons, electrons), ce systement se comportera globalement comme un boson, ou comme un fermion selon que la somme des spin est entier ou non.
    Prenons l'electron seul: spin demi entier = fermion, donc pas de condensation de B-E.
    Prenons une paire de Cooper (deux electrons couples par un phonon): spin global entier = boson, donc condensation de B-E possible, et c'est se que nous observons dans les supraconducteurs en dessous de la temperature de seuil.

    L'exemple de l'helium 4 (2 protons, 4 neutrons, 2 electrons = spin global entier), et qu'il se comporte globalement comme un boson. D'ou la possibilite d'obtenir un superfluide a 2.18K. Ceci n'est en principe plus vrai pour l'helium 3 (2 protons, 3 neutrons, 2 electrons = spin global non entier). Il est qd meme bon de noter que cela a aussi ete fait, grace a des paires de Cooper entre atome d'helium 3.

    Bon, j'ai aussi simplifie a l'extreme, car il y a d'autre considerations comme les distances inter-atomique comparees aux longueur d'onde de de Broglie, qui impose des conditions tres particulieres pour obtenir la condensation de B-E (faible pression pour les alkalins, et hautre pression pour l'helium liquide)

    J'espere que ca clarifie les choses.


    Max

  12. #9
    sai
    merci pour toutes ces precisions Max, je savais pas que c'etait un resultat de la condensation de Bose Einstein ops:
    Lao Tseu a dit:" quand la riviere coule; les rochers se lavent" .... comprenne qui pourra!

  13. #10
    Damon
    L'exemple de l'helium 4 (2 protons, 4 neutrons, 2 electrons = spin global entier), et qu'il se comporte globalement comme un boson. D'ou la possibilite d'obtenir un superfluide a 2.18K. Ceci n'est en principe plus vrai pour l'helium 3 (2 protons, 3 neutrons, 2 electrons = spin global non entier). Il est qd meme bon de noter que cela a aussi ete fait, grace a des paires de Cooper entre atome d'helium 3.
    Salut Max,

    Je pense que tu as tendance à mettre un peu trop de neutrons dans ton hélium.

    Hélium 4 (2 protons, 2 neutrons 2 électrons)
    Hélium 3 (2 protons, 1 neutron, 2 électrons)

    Damon
    Un EeePc ça change la vie !

  14. #11
    Max
    Salut Damon,

    Oui, merci pour cette rectification. Deja au lycee cela me causait des problemes.

    Max

  15. #12
    Martial

    Re : Connaissez vous les superfluides

    Belle info Max !

    Martial

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