SUPERFLUIDITÉ

Quelques propriétés spectaculaires de l’hélium 4

C'est à Leyde en 1908 que Kamerlingh Onnes avait réussi pour la première fois à liquéfier l'hélium 4, à 4,2 K sous pression atmosphérique, mais il ne découvrit pas sa superfluidité. Les premières propriétés étonnantes de l'hélium liquide ont été découvertes en 1932 par John McLennan, à Toronto. Celui-ci s'aperçut en effet que ce liquide cessait de bouillir près du zéro absolu de température, c'est-à-dire près de 0 kelvin. En 1936-1937, Willem et Ania Keesom (Leyde, Pays-Bas), puis John Allen, Rudolf Peierls et Zaki Uddin (Cambridge, Royaume-Uni) découvrirent que ce liquide très froid conduisait étonnamment bien la chaleur, ce qui expliquait l'absence d'ébullition (Allen, 1937).

En 1932-1935, Willem et Ania Keesom avaient aussi mesuré la chaleur spécifique de l'hélium liquide – c'est-à-dire la quantité de chaleur nécessaire pour élever sa température par degré et par unité de masse – et découvert que cette chaleur, tracée en fonction de la température de leur échantillon, présentait un maximum pointu en forme de lettre grecque lambda (Keesom, 1932, 1935). Ils avaient donc baptisé « point lambda » – ou T_λ – la température en dessous de laquelle cet étrange phénomène avait lieu. Cela suggérait que l'hélium liquide changeait d'état, devenait plus ordonné en dessous de T_λ dont on sait aujourd'hui que la valeur précise est 2,176 K. On appela « hélium I » le liquide normal au-dessus de T_λ et « hélium II » le liquide anormal qui apparaît en dessous de T_λ.

À Toronto, en 1935, E. F. Burton mesura la viscosité de l'hélium liquide en y faisant osciller une pièce cylindrique et montra que celle de l'hélium II était inférieure à celle de l'hélium I ; mais c'est seulement fin 1937 que Kapitsa, à Moscou, et John Allen, à Cambridge, démontrèrent que la viscosité de l'hélium liquide devenait anormale à basse température. Kapitsa montra que l'hélium II semblait s'écouler sans frottement apparent entre deux disques polis pressés l'un contre l'autre, et affirma que sa viscosité était au moins mille fois inférieure à celle de l'hélium I ; c'est alors qu'il introduisit le mot anglais « superfluid ». Grâce à une étude plus précise, Allen montra au même moment, à Cambridge avec A. D. Misener, que l'écoulement de l'hélium II à travers des tubes capillaires de taille micronique n'obéissait à aucune loi connue en hydrodynamique classique.

Entre 1936 et 1939, B. V. Rollin, F. Simon, J. G. Daunt et K. Mendelssohn montrèrent à Oxford que l'hélium superfluide était capable de s'écouler hors d'un récipient par l'intermédiaire du film liquide mince qui en recouvre les parois : en somme, un récipient rempli d'hélium superfluide est capable de se vider tout seul. On découvrit beaucoup d'autres propriétés étonnantes, en particulier l'« effet fontaine ». En 1938, et cette fois avec H. Jones, Allen découvrit en effet qu'il suffisait de chauffer légèrement l'hélium « superfluide » d'un côté d'un fin capillaire pour faire jaillir une fontaine. C'est cet effet non moins impossible à expliquer dans le cadre de la physique classique qui allait déclencher la réflexion de London et Tisza et le début de la compréhension théorique de la superfluidité.

Condensation de Bose-Einstein et modèle à deux fluides

La superfluidité est une propriété essentiellement quantique. Fritz London a calculé la température à laquelle une condensation de Bose-Einstein pouvait avoir lieu dans un hypothétique gaz parfait d'hélium 4 qui aurait la même densité que le liquide.[...]