Un superfluide est une phase de matière capable de s’écouler sans fin sans perte d’énergie. Cette propriété de certains isotopes a été découverte par Pyotr Leonidovich Kapitsa, John F. Allen et Don Misener en 1937. Elle a été obtenue à des températures très basses avec au moins deux isotopes d’hélium, un isotope de rubidium et un isotope de lithium.
Seuls les liquides et les gaz peuvent être superfluides. Par exemple, le point de congélation de l’hélium est de 1 K (Kelvin) et de 25 atmosphères de pression, le plus bas de tous les éléments, mais la substance commence à présenter des propriétés superfluides à environ 2 K. La transition de phase se produit lorsque tous les atomes constitutifs d’un échantillon commencent à occupent le même état quantique. Cela se produit lorsque les atomes sont placés très près les uns des autres et refroidis à un point tel que leurs fonctions d’onde quantique commencent à se chevaucher et que les atomes perdent leur identité individuelle, se comportant plus comme un seul super-atome que comme une agglomération d’atomes.
Un facteur limitant sur lequel les matériaux peuvent présenter une superfluidité et qui ne le peuvent pas est que le matériau doit être très très froid (inférieur à 4 K) et rester fluide à cette température froide. Les matériaux qui deviennent solides à basse température ne peuvent pas assumer cette phase. Lorsqu’il est refroidi à des températures très basses, un ensemble de bosons prêts pour le superfluide, des atomes avec un nombre pair de nucléons, se forme en un condensat de Bose-Einstein, une phase superfluide de la matière. Lorsque les fermions, atomes avec un nombre impair de nucléons comme l’isotope hélium-3, sont refroidis à quelques Kelvin, cela n’est pas suffisant pour provoquer cette transition.
Parce que seuls les bosons peuvent facilement devenir un condensat de Bose-Einstein, les fermions doivent d’abord s’apparier les uns aux autres pour devenir un superfluide. Ce processus est similaire à l’appariement d’électrons de Cooper qui se produit dans les supraconducteurs. Lorsque deux atomes avec un nombre impair de nucléons s’apparient, ils possèdent collectivement un nombre pair de nucléons et commencent à se comporter comme des bosons, se condensant ensemble dans un état superfluide. C’est ce qu’on appelle un condensat de fermions, et n’émerge qu’au niveau de température mK (milliKelvin) plutôt qu’à quelques Kelvins. La principale différence entre l’appariement d’atomes dans un superfluide et l’appariement d’électrons dans un supraconducteur est que l’appariement atomique est médié par des fluctuations de spin quantiques plutôt que par un échange de phonons (énergie vibratoire).
Les superfluides ont des propriétés impressionnantes et uniques qui les distinguent des autres formes de matière. Parce qu’ils n’ont pas de viscosité interne, un vortex formé à l’intérieur persiste pour toujours. Un superfluide a une entropie thermodynamique nulle et une conductivité thermique infinie, ce qui signifie qu’aucune différence de température ne peut exister entre deux superfluides ou deux parties d’un même. Ils peuvent également monter et sortir d’un conteneur dans une couche d’un atome d’épaisseur si le conteneur n’est pas scellé. Une molécule conventionnelle intégrée dans un superfluide peut se déplacer avec une liberté de rotation totale, se comportant comme un gaz. D’autres propriétés intéressantes pourraient être découvertes dans le futur.
La plupart des superfluides ne sont pas purs, mais sont en fait un mélange d’un composant fluide et d’un composant superfluide. Les applications potentielles des superfluides ne sont pas aussi passionnantes et étendues que celles des supraconducteurs, mais les réfrigérateurs à dilution et la spectroscopie sont deux domaines où ils ont trouvé une utilisation. L’application la plus intéressante aujourd’hui est peut-être purement éducative, montrant comment les effets quantiques peuvent devenir macroscopiques dans certaines conditions extrêmes.