vortex superfluides

Dans un laboratoire parisien, on a fait contourner un obstacle à de la lumière, comme l'eau contourne une pierre dans un ruisseau. Mais ici, l'eau est particulière : elle ne ressent aucun frottement.

L'eau enfermée entre deux cylindres, lorsque le cylindre intérieur tourne, s'écoule d'abord en couches régulières. Mais dès que la vitesse dépasse une certaine limite, les couches se froissent en rouleaux annulaires, semblables à une pile de beignets.

Une goutte de pluie glisse sur le vent et frappe l'océan non pas à la verticale, mais en biais. À cet instant, son énergie se scinde en deux canaux : l'un pousse l'eau vers l'avant dans le sens du vol, l'autre l'enfonce vers le bas, en profondeur.

Dans un accélérateur circulaire, un faisceau d'électrons file en rond des millions de fois. Si les électrons sont tordus comme un fil dans une corde, leur mouvement vortex devrait se conserver. Mais sur le chemin, ils subissent des chocs aléatoires dus à des aimants imparfaits.

Au centre de nombreuses galaxies se cache un nuage invisible : le halo de matière noire. Si cette matière est suffisamment froide et légère, elle se comporte comme un superfluide : elle s'écoule sans frottement, et toute rotation s'y enroule en de minuscules vortex quantiques — des filaments de la taille d'un…

Les mondes bidimensionnels ne cessent de surprendre : ici, même la fusion d'un cristal n'est pas une rupture de symétrie, mais un spectacle de vortex, découvert par Kosterlitz et Thouless. Au cœur de ce théâtre se trouvent des singularités topologiques, dont l'énergie et l'entropie négocient l'ordre.

Le supersolide est une matière à la fois cristalline et fluide. On le crée à partir d'atomes refroidis à des températures proches du zéro absolu. Dans cette nouvelle étude, des physiciens ont obtenu une telle substance sous la forme d'un réseau triangulaire de gouttelettes. Chaque gouttelette oscille à son propre rythme.

Le paradoxe du jeune vent solaire a longtemps tenu en haleine les héliophysiciens. Les mesures montrent qu'à proximité de l'astre, les faisceaux de protons ne sont pas diffus, mais comprimés, comme si quelqu'un leur avait soigneusement donné la forme d'une tête de marteau.

Une pierre tombe dans un étang – et des cercles se propagent à la surface. Les ondes longues et les ondes courtes se déplacent à la même vitesse : c'est ainsi que se comporte le son ordinaire dans presque tous les milieux. Mais dans les liquides quantiques, tout peut être différent.

L'eau d'une rivière de montagne ne coule pas de manière régulière : elle bouillonne, tourbillonne, accélère soudainement. Ce mouvement désordonné s'appelle la turbulence. Mais même là, il y a des rythmes cachés — de rares et fortes rafales qui, pendant un court instant, changent toute la physionomie de l'écoulement.

Le son se propage dans un milieu à une certaine vitesse. Si le milieu se déplace plus vite, le son est entraîné par le flux, comme un brindille aspirée dans un tourbillon. Dans l'hélium superfluide — un liquide sans frottement — une rotation rapide engendre des vortex en entonnoir.

Dans l'hélium superfluide, le frottement visqueux disparaît — le liquide s'écoule comme un torrent de montagne, mais sans le moindre tourbillon, manifestant un effet quantique macroscopique.

L'eau d'une rivière forme souvent des tourbillons. Mais dans les semi-conducteurs — la base des puces électroniques — les électrons, à basse température et avec une grande pureté, se transforment eux aussi en liquide.

On vient d'arrêter de remuer une casserole d'eau : les entonnoirs et les tourbillons s'apaisent peu à peu, le liquide devient lisse. Un processus similaire, mais dans le monde quantique, se produit dans l'hélium superfluide ou dans un nuage d'atomes ultra-froids.

À l'intérieur d'un supraconducteur, le champ magnétique s'enroule généralement en tubes – des vortex, chacun portant un quantum de flux magnétique. C'est ainsi qu'est constitué le réseau classique d'Abrikosov. Mais dans les cristaux de LiFeAs, le tableau est différent.

Une petite bille à noyau de fer repose sur une surface, et un champ magnétique tourne autour d'elle. La bille se met à rouler comme une roue, et en général elle va dans le sens de rotation du champ. Mais parfois, elle fait soudainement demi-tour et roule dans l'autre sens — à contre-courant.

Une goutte de pluie tombe dans une flaque, et sous l'impact jaillit un petit geyser d'éclaboussures. Chacune d'elles est une nouvelle goutte, secondaire. Combien sont-elles, quelle est leur taille, et combien de temps vivent-elles ? Cela dépend de nombreux facteurs : la vitesse de chute, la taille de la goutte, les propriétés de l'eau.

Dans l'hélium refroidi presque au zéro absolu, le liquide cesse de frotter contre lui-même et s'écoule sans la moindre résistance.

Dans l'eau ordinaire, les ondulations provoquées par une pierre jetée se propagent en cercles concentriques réguliers. Mais imaginez un liquide dont les molécules ressemblent à de minuscules vis à filetage droit. Dans un tel milieu, la surface agit comme une route à sens unique : les vagues ne peuvent se propager que dans une direction déterminée.

Une jeune planète dans un disque de gaz ressemble à un nageur qui tente de remonter un courant : le frottement contre le gaz la freine et elle se rapproche de l'étoile en spirale. Pour les petites planètes rocheuses, une telle chute peut prendre moins de temps que celui nécessaire à leur croissance.

L'hélium liquide, refroidi presque au zéro absolu, se comporte comme deux fluides à la fois : une partie visqueuse ordinaire et une partie superfluide qui s'écoule sans frottement. Lorsqu'un tel écoulement rencontre un cylindre, des tourbillons naissent derrière lui.

Dans un supraconducteur, le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si l'on place ce matériau dans un champ magnétique, des tourbillons apparaissent à l'intérieur — de minuscules entonnoirs où la supraconductivité est détruite.

Dans une goutte d'eau, les bactéries se poussent et nagent — chacune pour soi, mais ensemble elles créent des motifs. Lorsque le mouvement est faible, le fluide bouillonne comme une soupe sur feu vif : les tourbillons se heurtent, la direction du courant change à chaque seconde. On appelle cela la turbulence bactérienne.

Une fine plaque se dresse en travers d'un écoulement d'eau ou d'air. Derrière elle naît un sillage – une zone où le courant se brouille et se mélange. En général, un tel sillage devient turbulent lorsque la vitesse de l'écoulement est suffisamment grande, et le nombre de Reynolds en est la mesure.

La matière noire est un océan invisible qui, comme l'ont montré les observations de Vera Rubin, empêche les étoiles des galaxies de s'éparpiller.

Un trou noir en rotation se comporte comme un entonnoir géant, mais il ne se contente pas d'aspirer tout ce qui l'entoure — il tord l'espace lui-même, tel un courant de rivière impétueux. De nouveaux calculs montrent que dans cette tornade peuvent naître des tourbillons stables de particules ultra-légères — probablement les briques de la matière noire.

Versez du miel sur une éponge. Il s'écoule paresseusement, contournant les vides. Mais si le miel devient plus fluide sous la pression, l'écoulement se révèle plus retors. Un liquide à viscosité variable dans un labyrinthe irrégulier de pores — un défi qui résistait aux calculs.

Quand on fait tourner un liquide dans une tasse, il se forme un entonnoir avec un centre vide. Dans ce centre vide, les vagues trouvent un piège : en se réfléchissant sur les parois, elles puisent de l'énergie dans le vortex et grossissent, comme une flamme le long d'une mèche — chaque vague est plus forte que la précédente, jusqu'à ce qu'une gerbe se déclenche.