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14 • Atome d’hélium
a) Superfluidité de l’hélium quatre, 4 He
Dès 1927, W. Keesom et M. Wolfke suggérèrent l’existence de deux phases liquides
distinctes de l’hélium 4, au-dessus et au-dessous d’une température de 2, 17 K, qu’ils
appelèrent respectivement hélium I et hélium II. En 1936, W. et A. Keesom montrèrent que la conductivité thermique de l’hélium II, vers 1, 5 K, est très élevée, de
l’ordre de deux cent fois supérieure à celle du cuivre à température ambiante. Cette
propriété explique l’absence d’ébullition de l’hélium superfluide car, dans un certain
volume, aucune différence de température importante ne peut exister et aucune bulle
ne peut se former sur les parois ; l’évaporation a lieu uniquement à la surface du
liquide.
En 1937, P. Kapitza, étudiant l’écoulement de l’hélium II, montra que sa viscosité
est pratiquement non mesurable, au moins mille fois inférieure à celle de l’hélium
I. Il proposa d’appeler superfluidité ce phénomène d’absence de viscosité. En 1938,
J. Daunt et K. Mendelssohn montrèrent que l’hélium superfluide peut s’écouler hors
d’un récipient par l’intermédiaire d’un film très mince de quelques dizaines de nanomètres, qui, grimpant le long des parois internes, passe par-dessus bord.
La superfluidité est un phénomène essentiellement quantique qui est lié à un état
de la matière appelé condensat de Bose-Einstein. C’est Einstein qui, développant une
idée de S. Bose, avait prédit qu’une fraction importante des atomes formant un gaz,
à très basse température, devait se trouver dans un état d’énergie minimale, donc
dans le même état quantique. C’est ce phénomène qu’on appelle « condensation » ;
celle-ci ne concerne que les bosons puisque le principe d’exclusion de Fermi interdit
à deux fermions identiques d’occuper le même état.
L’atome d’hélium 4 est un boson car il est constitué d’un nombre pair de particules
de spin demi-entier. Le lien entre superfluidité et condensation de Bose-Einstein présente des difficultés théoriques car il s’agit d’un liquide et non d’un gaz. La proportion d’atomes condensés dans l’état fondamental est assez faible, de l’ordre de
10%, même à une température très voisine du zéro absolu, en raison des interactions
entre les atomes qui jouent ici un rôle essentiel. Il n’empêche que les propriétés de
l’hélium superfluide sont interprétées avec succès dans le cadre d’un modèle à deux
fluides : l’hélium II est mobile dans l’hélium I, les deux fluides n’interagissant pas
l’un avec l’autre.
b) Superfluidité de l’hélium trois, 3 He
En 1972, des chercheurs de la Cornell University découvrirent que l’hélium 3, audessous d’une température de 2, 5 × 10 −3 K, présente plusieurs phases superfluides
distinctes. À cette température du millikelvin, l’hélium 3 possède également des propriétés de magnétisme et d’anisotropie. Les effets anisotropiques, dans l’une des
phases, présente des textures analogues à celles des cristaux liquides.
La théorie de la superfluidité de l’hélium 3 est aujourd’hui mieux établie que celle
de l’hélium 4 car elle a bénéficié des connaissances acquises dans le domaine de la
supraconductivité. La théorie de la supraconduction a en effet été développée depuis
14 • Atome d’hélium
a) Superfluidité de l’hélium quatre, 4 He
Dès 1927, W. Keesom et M. Wolfke suggérèrent l’existence de deux phases liquides
distinctes de l’hélium 4, au-dessus et au-dessous d’une température de 2, 17 K, qu’ils
appelèrent respectivement hélium I et hélium II. En 1936, W. et A. Keesom montrèrent que la conductivité thermique de l’hélium II, vers 1, 5 K, est très élevée, de
l’ordre de deux cent fois supérieure à celle du cuivre à température ambiante. Cette
propriété explique l’absence d’ébullition de l’hélium superfluide car, dans un certain
volume, aucune différence de température importante ne peut exister et aucune bulle
ne peut se former sur les parois ; l’évaporation a lieu uniquement à la surface du
liquide.
En 1937, P. Kapitza, étudiant l’écoulement de l’hélium II, montra que sa viscosité
est pratiquement non mesurable, au moins mille fois inférieure à celle de l’hélium
I. Il proposa d’appeler superfluidité ce phénomène d’absence de viscosité. En 1938,
J. Daunt et K. Mendelssohn montrèrent que l’hélium superfluide peut s’écouler hors
d’un récipient par l’intermédiaire d’un film très mince de quelques dizaines de nanomètres, qui, grimpant le long des parois internes, passe par-dessus bord.
La superfluidité est un phénomène essentiellement quantique qui est lié à un état
de la matière appelé condensat de Bose-Einstein. C’est Einstein qui, développant une
idée de S. Bose, avait prédit qu’une fraction importante des atomes formant un gaz,
à très basse température, devait se trouver dans un état d’énergie minimale, donc
dans le même état quantique. C’est ce phénomène qu’on appelle « condensation » ;
celle-ci ne concerne que les bosons puisque le principe d’exclusion de Fermi interdit
à deux fermions identiques d’occuper le même état.
L’atome d’hélium 4 est un boson car il est constitué d’un nombre pair de particules
de spin demi-entier. Le lien entre superfluidité et condensation de Bose-Einstein présente des difficultés théoriques car il s’agit d’un liquide et non d’un gaz. La proportion d’atomes condensés dans l’état fondamental est assez faible, de l’ordre de
10%, même à une température très voisine du zéro absolu, en raison des interactions
entre les atomes qui jouent ici un rôle essentiel. Il n’empêche que les propriétés de
l’hélium superfluide sont interprétées avec succès dans le cadre d’un modèle à deux
fluides : l’hélium II est mobile dans l’hélium I, les deux fluides n’interagissant pas
l’un avec l’autre.
b) Superfluidité de l’hélium trois, 3 He
En 1972, des chercheurs de la Cornell University découvrirent que l’hélium 3, audessous d’une température de 2, 5 × 10 −3 K, présente plusieurs phases superfluides
distinctes. À cette température du millikelvin, l’hélium 3 possède également des propriétés de magnétisme et d’anisotropie. Les effets anisotropiques, dans l’une des
phases, présente des textures analogues à celles des cristaux liquides.
La théorie de la superfluidité de l’hélium 3 est aujourd’hui mieux établie que celle
de l’hélium 4 car elle a bénéficié des connaissances acquises dans le domaine de la
supraconductivité. La théorie de la supraconduction a en effet été développée depuis