De la neige d’hydrogène pour voir les tourbillons quantiques

L'étude de la dynamique des tourbillons quantiques dans la phase superfluide de l’Hélium 4 liquide appelée « He II » est très prometteuse pour affiner les descriptions théoriques des fluides quantiques. Les condensats de Bose-Einstein, les étoiles à neutrons ou même les supraconducteurs présentent des tourbillons quantiques, dont les interactions sont un ingrédient clé de la dissipation de l’énergie dans ces systèmes. Les propriétés du champ de vitesse autour du cœur de ces objets sont quantifiées et, dans He II, ce cœur est aussi fin qu'un atome d'hélium... Ils ont été observés expérimentalement par des moyens indirects, tels que l'atténuation d’ondes acoustiques ou via leur interaction avec des électrons. De plus, au cours des vingt dernières années, l’ensemencement d'écoulements cryogéniques avec des particules s'est avéré être une méthode très efficace pour étudier ces tourbillons. Cependant, dans ces observations pionnières, d’une part la stabilité expérimentale, les conditions initiales, la stationnarité et la reproductibilité étaient peu contrôlées, d’autre part les analyses supposaient une dynamique bidimensionnelle dans des systèmes où elle était intrinsèquement 3D.

Dans un travail très récent, des chercheurs de l’Institut Néel (CNRS / Université Grenoble Alpes) ont visualisé directement ces tourbillons en utilisant un réservoir de superfluide tournant de façon stationnaire. Ils ont pu vérifier ainsi quantitativement la loi de Feynman liant la densité de tourbillons quantiques à la vitesse de rotation imposée au système, démontrant ainsi expérimentalement que les flocons d'hydrogène sont de bons traceurs de tourbillons quantiques pour les cas stationnaires. Les réseaux de vortex observés sont analogues aux réseaux d'Abrikosov que l'on trouve dans les supraconducteurs et les condensats de Bose-Einstein.

De plus, ces réseaux alignés avec l'axe de rotation peuvent jouer le rôle d'une condition initiale bien définie et contrôlée pour des études de cas dynamiques. Ainsi, les chercheurs ont tiré parti de cette configuration stable en appliquant un flux de chaleur alternatif aligné avec l'axe de rotation. Dans le cas d’une amplitude modérée ils ont observé des ondes se propageant le long des tourbillons, qui conduisent à des interactions entre tourbillons quantiques aux amplitudes plus élevées. Cette succession de régimes définit un chemin contrôlé vers la turbulence quantique dans le ⁴He en rotation et une expérience de référence pour consolider les descriptions des fluides quantiques. Ce travail est publié dans la revue Science Advances.