L’hélium superfluide

Etant ingénieur pour l’opération du système cryogénique du LHC au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire) à Genève, j’ai la chance de travailler avec le plus grand stock d’hélium superfluide du monde : le LHC en contient environ 100 tonnes pour fonctionner…

Mais c’est le dernier livre de Sébastien Balibar, « Savant cherche refuge », qui m’a donné envie d’écrire cet article. En effet, la superfluidité, phénomène pour le moins extraordinaire à notre échelle, a été découvert et expliqué dans un climat international inédit avec de nombreux chercheurs cherchant à se réfugier des désastres de la guerre pour mener à bien leurs recherches.

Aujourd’hui, on trouve de l’hélium superfluide dans les laboratoires du monde entier (et surtout au CERN !) mais son obtention et sa compréhension a été pour le moins « complexe » et a fait couler beaucoup d’encre avant d’arriver à un résultat faisant consensus auprès des physiciens. Cette découverte est une grande découverte scientifique et son histoire, comme toute grande découverte scientifique, est passionnante…

Pourquoi superfluide ?

Tout d’abord quelques éclaircissements sur ce qu’est un superfluide. Dans la nature, il existe plusieurs états de la matière comme l’état solide, gazeux ou liquide (en fait l’état le plus abondant dans l’univers est l’état de plasma dont sont composés les étoiles). Mais il en existe au moins un autre, moins connu: l’état superfluide. Cet état a été observé dans l’hélium à très basse température, en dessous de 2,17 Kelvin, soit environ -271 degrés Celsius. Alors, qu’est ce qui caractérise les superfluides ? Eh bien, quand on fait des expériences avec, on observe des comportements tout à fait impossibles avec tous les autres fluides. Voici quelques exemples:

  • Prenez un tube de quelque millième de millimètre et essayer de faire circuler un liquide dedans : c’est impossible, sauf pour un superfluide qui s’engouffre dedans sans problème et s’écoule librement.
  • Verser un liquide dans un verre : le liquide est censé rester au fond, eh bien pas le superfluide qui va remonter le long des parois et sortir tout seul du verre.
  • Prenez une paille et faite la tourner dans un verre rempli de liquide, tout le liquide va rapidement se mettre à tourner avec la paille, eh bien pas le superfluide qui va rester immobile!
  • Chauffez une piscine olympique avec une résistance chauffante plongée à l’intérieur : peu à peu, toute la piscine va se réchauffer et ça va prendre pas mal de temps avant d’avoir la même température partout.  Eh bien, si vous remplissiez votre piscine de superfluide, toute la piscine aura la même température à tout moment, comme si la chaleur se propageait instantanément.

Vous l’aurez compris, un superfluide, c’est bizarre ! C’est un liquide qui ne possède pas de viscosité avec une capacité de transporter la chaleur de manière parfaite.

La chose qui a mis en déroute les physiciens est le fait que l’hélium en dessous de 2,17 K est en fait un mélange de 2 fluides : une composante normale (nommée « He I ») et une composante superfluide (nommée « He II ») qui peuvent se déplacer indépendamment l’un de l’autre, et plus on refroidit le mélange, plus la composante superfluide est importante. C’est cette particularité qui a engendré des phénomènes parfois contradictoires selon les expériences mise en œuvre. Mais maintenant, intéressons-nous à l’histoire passionnante de cette découverte.

Les personnages

Les protagonistes principaux sont les suivants (par date de naissance):

  • Willem Hendrik Keesom (1876), néerlandais ayant travaillé à Leyde avec H.K. Onnes, le premier à avoir liquéfié de l’hélium en 1908. Keesom est l’un des premiers à avoir noté une transition importante à 2,17 K dans l’hélium dès 1927.
  • Piotr Kapitsa (1894), russe, découvreur de la superfluidité en 1937. Nobel 1978.
  • Fritz London (1900), allemand, c’est le premier à proposer « l’idée folle » que la superfluidité est un phénomène quantique macroscopique.
  • Laszlo Tisza (1907), hongrois, le fil conducteur du livre de S. Balibar, c’est lui qui proposera le premier modèle théorique « sérieux » le la superfluidité : le fameux modèle à 2 fluides.
  • Lev Landau (1908), russe, il est à l’origine de la compréhension profonde de la superfluidité et aboutira à un modèle théorique complet du phénomène au début des années 40. Nobel 1962.
  • Jack Allen (1908), canadien, découvreur de la superfluidité en 1937 avec Don Misener à Cambridge, indépendamment de Kapitsa et en même temps.

Haut : Kapitsa, Landau, Allen.
Bas: London, Tisza, Keesom

Les lieux

Les personnages étant posés, voici les lieux où se déroulent cette aventure (par ordre alphabétique) :

  • Cambridge, Angleterre : laboratoire de Allen et Misener où la superfluidité sera étudiée pour la première fois (enfin en même temps que Kapitsa à Moscou).
  • Etats-Unis : Refuge de très nombreux scientifiques européens pendant cette période de trouble. London et Tisza y trouveront refuge pendant la guerre.
  • Kharkov, Ukraine : Landau a commencé ses recherches à l’université de Kharkov et Tisza y fera un séjour en 1937, l’année où la superfluidité sera découverte.
  • Leyde, Pays-Bas : Berceau de la physique des basses températures à l’hélium ayant hébergé Onnes et Keesom. Laboratoire ayant produit les premières gouttes d’hélium liquide (et de superfluide sans le savoir) dès 1908.
  • Moscou, Russie : Landau et Kapitsa passeront une bonne partie de leur temps de recherche à l’institut des problèmes physiques de Moscou.
  • Oxford,Angleterre: l’hélium superfluide coula aussi très tôt à Oxford et hébergera de nombreux scientifiques liés à la superfluidité comme London.
  • Paris, France : De nombreux efforts ont été faits à Paris pour héberger les scientifiques menacés par les nazis. London et Tisza y trouveront refuge plusieurs années, aidés par de nombreuses personnes dont Louis Rapkine qui a joué un rôle clé.

Pendant l’entre-deux guerre puis pendant la deuxième guerre mondiale, les scientifiques prometteurs comme les acteurs de la superfluidité seront aidés par des bourses leur permettant de subvenir à leurs besoins et de voyager dans les différents laboratoires dans le monde « relativement » facilement pour cette époque. La plus connue est sans doute la bourse Rockefeller qui a sauvé de nombreux chercheurs prestigieux en ces périodes de troubles. J’ai essayé de retracer quelques parcours des protagonistes de la superfluidité (ce n’est pas exhaustif mais j’ai essayé de faire de mon mieux) :

  • Kapitsa : Saint Petersbourg => Cavendish (1923) => Moscou (1934)
  • Tisza : Budapest (1907) => Paris (1937) => Toulouse (1939) => Lisbonne (1940) => Etats-Unis (1941).
  • London : Breslau (1900) => Berlin ( ???) => Rome (1931) => Berlin (1932) => Oxford (1933) => Paris (1936) => Etats-Unis (1939).
  • Landau : Bakou (1908) => Petrograd (1922) => Voyage à travers l’Europe (1929): Gottingen, Leipzig, Copenhague, Cambridge, Zurich   => Leningrad (1931) => Kharkov (1932) =>   Moscou (1937) => Boutyrskaïa, prison proche de Moscou (1938) => Moscou (1939).

Qui a découvert la superfluidité ?

Visiblement, tout porte à croire que Kapitsa et Allen ont « découvert » la superfluidité à peu près en même temps et de manière indépendante en 1937. Mais disons-le clairement, cette « découverte » était dans l’air du temps et plusieurs équipes avaient déjà dans les années précédentes mis en avant l’existence de deux héliums liquides bien distincts (l’hélium I et II) séparés par le « point lambda » autour de 2,17 K. Ce nom « lambda » a d’ailleurs été donné par Keesom en 1927 à Leyde en référence à la forme de la chaleur spécifique (i.e. la quantité d’énergie à apporter au liquide pour élever sa température de 1 degré) de l’hélium en fonction de sa température autour de 2,17 K qui ressemble à la lettre grecque lambda (λ). Je rappelle que Leyde (situé aux Pays-Bas) est le berceau de l’hélium liquide qui fut découvert peu avant par H.K Onnes en 1908 (détails ici).


Mesure de la chaleur spécifique de l’hélium autour de 2,17 K par Keesom en 1927 à Leyde ayant la forme du lambda grecque.

En revanche, c’est bien Kapitsa qui a inventé le mot « superfluide ». Allen et Kapitsa ont pu observer et publier des résultats montrant que l’hélium en-dessous de 2,17 K semble présenter une viscosité extrêmement faible. Ils publièrent d’ailleurs tous les deux leur article dans le même numéro de Nature en Janvier 1938 dans deux pages consécutives.  L’article de Kapitsa avait pour titre “Viscosity of liquid helium below the λ-point” alors qu’Allen titrait “Flow of liquid helium II”. C’est dans cet article que Kapitsa énonça sa phrase célèbre qui est étonnemment clairevoyante en y repensant avec le recul d’aujourd’hui : « by analogy with superconductors, that the helium below the λ-point enters a special state which might be called superfluid« . En effet, leurs expériences montrèrent que l’hélium liquide en dessous de cette température entre dans un état spécial, car quantique, tout comme la supraconductivité mais ils ne le savaient pas encore à cette époque ! Le superfluide peut s’écouler dans des capillaires (de tout petits tuyaux) ou dans des fentes de taille microscopique sans aucun problème, ce qu’aucun autre fluide ne peut faire à cause du phénomène de viscosité qui tend à « freiner » les écoulements.

Pour faire court, on apprend à l’école que la vitesse d’un fluide dans un tuyau dépend de la taille du tuyau (plus il est gros et plus le fluide va vite) et de la différence de pression entre l’entrée et la sortie (plus la différence de pression est grande, plus le fluide va vite). Et quand Kapitsa et Allen (qui sont allés à l’école comme vous et moi) ont voulu vérifier cela avec L’hélium superfluide, ce n’est pas du tout ce qu’ils ont pu mesurer : si on fait varier la taille de ces capillaires, même d’un facteur 1000, la vitesse d’écoulement n’est quasiment pas modifiée. De même en faisant varier la différence de pression entre l’entrée et la sortie, la vitesse du superfluide demeurait constante, ce qui contredisait catégoriquement la mécanique des fluides ! Et on ne peut pas renier ce genre de chose comme ça ! Ce genre de contradiction s’appelle tout simplement une « grande découverte scientifique ».

Qui a compris la superfluidité en premier ?

Voici mon sentiment après la lecture du dernier livre de S. Balibar: c’est bien London le premier à avoir senti ce qu’était la superfluidité, à savoir un phénomène quantique à l’échelle macroscopique correspondant à un genre de condensat de Bose-Einstein dans un liquide. London écrira d’ailleurs en 1938 à son frère Heinz « j’ai trouvé une chose folle » en parlant de cette découverte. Il publiera ensuite une note dans la revue Nature à ce sujet le 5 mars 1938 : « the lambda-phenomenon of liquid helium and the Bose-Einstein degeneracy ».

C’est ensuite Tisza qui a immédiatement posé les bases d’un premier modèle original, le fameux modèle à deux fluides, intuition de génie pour expliquer les phénomènes observés, extrêmement étranges et parfois contradictoires. London rejettera ce modèle à tort mais Tisza persévéra et publia peu après une note en Mai 1938 dans Nature portant le titre « Transport Phenomena in Helium II » où il introduit ce modèle qui deviendra un modèle puissant, intuitif et simple à utiliser pour calculer les propriétés de l’hélium superfluide.

Enfin, Lev Landau, petit génie de la physique, reformule de manière plus rigoureuse le modèle à deux fluides pour aboutir à un modèle cohérent et complet qu’il publie en 1941 dans Physical Review. Pour expliquer la superfluidité, Landau se base entre autre sur la propagation et l’oscillation de quasi-particules: les phonons et les rotons (inventés par l’occasion par Landau). Landau recevra seul le Nobel sur ce sujet, ce qui peut paraitre un peu injuste vis-à-vis de London et Tisza…

Pour aller plus loin

Voilà ce que j’avais à dire sur ce sujet mais si vous voulez en savoir plus, c’est sans contestation Sébastien Balibar la référence française en la matière, alors voici quelques conseils de lecture :

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