Nanofils et hélium superfluide : une percée dans les liquides quantiques express
Un liquide sans frottement qui coule éternellement, c'est la superfluidité. L'hélium-3 ne l'acquiert qu'à des millièmes de degré au-dessus du zéro absolu. La théorie de cet état a été créée par Lev Landau et Richard Feynman. L'ordre quantique y est protégé par une barrière énergétique — une carapace invisible que l'on peut comparer à une corde tendue : tant que l'action est faible, le son est pur. Dans la nouvelle expérience, l'hélium a été confiné dans des canaux de quelques centaines de nanomètres d'épaisseur et, comme une minuscule corde, on l'a fait vibrer. À faible amplitude, la superfluidité tenait bon, mais dès que la « pincée » s'intensifiait, la fréquence chutait. La corde se désaccordait : le flux perçait la protection, supprimait la barrière, et l'entropie — mesure du désordre — augmentait dans le système.
En mesurant la chute de fréquence, les scientifiques ont calculé la vitesse critique à laquelle la protection disparaît. Les résultats concordent avec la théorie. Cette approche ouvre la voie à la création de capteurs ultrasensibles et de dispositifs quantiques basés sur les liquides superfluides.
Résumé original
tel que rédigé par les auteurs, en anglais arXiv:2603.27131
Superfluidity in $$^3$$He exhibits many unique properties that are of interest to modern condensed matter research, including multiple superfluid phase transitions, topological defects, and exotic classes of excitations like Majorana and Weyl fermions. Many of the most interesting theoretical proposals, which remain underexplored, are realized in highly confined geometries, where surface effects play a dominant role in the thermodynamic and hydrodynamic properties. We have developed nanofluidic resonators capable of exciting a fourth-sound acoustic mode in thin channels with a highly confined dimension ($$750-1800$$ nm) that is only $$1-2$$ orders of magnitude larger than the superfluid coherence length. When a sufficiently large drive force is applied, we observe a non-linear softening of the resonance that we interpret as due to the flow suppression of the superfluid gap. We have developed a model of the device that allows the resonance amplitude to be calibrated into a superfluid velocity, which exhibits critical behavior at particular velocities. We identify one of the observed critical velocities as being the velocity at which the gap component parallel to the flow is suppressed to zero. We compare the calibrated velocity to the prediction of a Ginzburg-Landau model, and find reasonable agreement. This measurement represents an ongoing effort to link the hydrodynamic measurements of these nanofluidic devices to theoretical predictions regarding surface gap suppression and surface-bound states.
Dans tout l'hélium ordinaire, l'hélium-3 est une impureté rarissime : une seule particule sur un million. La superfluidité « s'active » chez lui à 0,0025 degré au-dessus du zéro absolu.