Les chercheurs ont développé une théorie suggérant l’existence d’une viscosité quantique dans les superfluides, reliant potentiellement l’hydrodynamique classique et quantique. Cette nouvelle approche, qui consiste à analyser la chute d’une sphère dans un superfluide, cherche à valider la similitude de Reynolds dans un contexte quantique, remettant en question les croyances de longue date en matière de dynamique des fluides. Crédit : Issues.fr.com
Un cadre théorique visant à mesurer la similitude de Reynolds dans les superfluides pourrait potentiellement prouver la présence d’une viscosité quantique.
Chaque liquide ou gaz, depuis l’air qui enveloppe notre planète jusqu’au sang qui coule dans nos veines, possède une propriété mesurable appelée viscosité. Cette propriété dicte le comportement du fluide lorsqu’il entre en contact avec une substance. Si la viscosité est plus élevée, le fluide s’écoule calmement, état dit laminaire. Si la viscosité diminue, le fluide passe d’un écoulement laminaire à un écoulement turbulent.
Le degré d’écoulement laminaire ou turbulent est appelé nombre de Reynolds, qui est inversement proportionnel à la viscosité. La loi de Reynolds de similarité dynamique ou similitude de Reynolds stipule que si deux fluides s’écoulent autour de structures similaires avec des échelles de longueur différentes, ils sont hydrodynamiquement identiques à condition qu’ils présentent le même nombre de Reynolds.
Superfluides quantiques et similitude de Reynolds
Cependant, cette similitude de Reynolds ne s’applique pas aux superfluides quantiques, car ils n’ont pas de viscosité – du moins c’est ce que croient les chercheurs. Aujourd’hui, un chercheur de l’Institut Nambu Yoichiro de physique théorique et expérimentale de l’Université métropolitaine d’Osaka au Japon a théorisé un moyen d’examiner la similitude de Reynolds dans les superfluides, ce qui pourrait démontrer l’existence d’une viscosité quantique dans les superfluides.
(En haut) La traînée est nulle sans vortex quantiques à T = 0. (En bas) Les vortex quantiques à gros grains peuvent reproduire la prédiction de la similitude de Reynolds en formant un sillage turbulent avec un nombre de Reynolds élevé défini avec la viscosité quantique. L’encart représente une vue microscopique des vortex quantiques dans le sillage turbulent. Crédit : Hiromitsu Takeuchi, Université métropolitaine d’Osaka
Le Dr Hiromitsu Takeuchi, maître de conférences à la Graduate School of Science de l’Université métropolitaine d’Osaka, a récemment publié son approche dans Examen physique B.
Renverser les théories traditionnelles
« Les superfluides ont longtemps été considérés comme une exception évidente à la similitude de Reynolds », a déclaré le Dr Takeuchi, expliquant que la loi de similitude de Reynolds stipule que si deux flux ont le même nombre de Reynolds, alors ils sont physiquement identiques. « Le concept de viscosité quantique bouleverse le bon sens de la théorie des superfluides, qui a une longue histoire de plus d’un demi-siècle. L’établissement d’une similitude dans les superfluides est une étape essentielle pour unifier l’hydrodynamique classique et quantique.
Cependant, les superfluides quantiques peuvent avoir des turbulences, ce qui entraîne un dilemme quantique : la turbulence dans les fluides nécessite une dissipation, alors comment la turbulence superfluide peut-elle subir une dissipation sans viscosité ? Ils doivent être dissipés et peuvent suivre la similitude de Reynolds, mais la bonne approche pour l’examiner n’a pas encore été développée.
Ces caractéristiques pourraient être examinées, théorise le Dr Takeuchi, en analysant comment une sphère solide se transforme en superfluide. En combinant la vitesse terminale de chute de la sphère avec la résistance que la sphère rencontre du fluide lors de sa chute, les chercheurs peuvent déterminer un analogue de la similitude de Reynolds. Cela signifie que la viscosité effective, appelée viscosité quantique, peut être mesurée.
« Cette étude se concentre sur une question théorique liée à la compréhension de la turbulence quantique dans les superfluides et montre que la similitude de Reynolds dans les superfluides peut être vérifiée en mesurant la vitesse terminale d’un objet tombant dans un superfluide », a déclaré le Dr Takeuchi. « Si cette vérification peut être faite, cela suggère que la viscosité quantique existe même dans les superfluides purs à zéro absolu. J’ai hâte de voir cela vérifié par l’expérimentation.
L’étude a été financée par l’Agence japonaise pour la science et la technologie, la Société japonaise pour la promotion de la science et le projet de promotion de la recherche stratégique de l’Université métropolitaine d’Osaka (OMU).
