Les physiciens capturent le son d’un fluide parfait –

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  • Pour certains, le son d’un «écoulement parfait» pourrait être le doux clapotis d’un ruisseau forestier ou peut-être le tintement de l’eau versée d’un pichet. Pour les physiciens, un écoulement parfait est plus spécifique, se référant à un fluide qui s’écoule avec la plus petite quantité de friction, ou de viscosité, permise par les lois de la mécanique quantique. Un tel comportement parfaitement fluide est rare dans la nature, mais on pense qu’il se produit dans les noyaux des étoiles à neutrons et dans le plasma soupy de l’univers primitif.

    Désormais, les physiciens du MIT ont créé un fluide parfait en laboratoire et écouté comment les ondes sonores le traversent. L’enregistrement est le produit d’un glissando d’ondes sonores que l’équipe a envoyé à travers un gaz soigneusement contrôlé de particules élémentaires appelées fermions. Les hauteurs qui peuvent être entendues sont les fréquences particulières auxquelles le gaz résonne comme une corde pincée.

    Les chercheurs ont analysé des milliers d’ondes sonores traversant ce gaz, pour mesurer sa «diffusion sonore», ou la vitesse à laquelle le son se dissipe dans le gaz, ce qui est directement lié à la viscosité d’un matériau ou au frottement interne.

    De manière surprenante, ils ont découvert que la diffusion sonore du fluide était si faible qu’elle pouvait être décrite par une quantité «quantique» de frottement, donnée par une constante de la nature connue sous le nom de constante de Planck, et la masse des fermions individuels dans le fluide.

    Cette valeur fondamentale a confirmé que le gaz de fermion fortement interagissant se comporte comme un fluide parfait et est de nature universelle. Les résultats, publiés aujourd’hui dans la revue Science, démontrent la première fois que des scientifiques ont pu mesurer la diffusion sonore dans un fluide parfait.

    Les scientifiques peuvent désormais utiliser le fluide comme modèle d’autres écoulements parfaits, plus complexes, pour estimer la viscosité du plasma dans l’univers primitif, ainsi que le frottement quantique dans les étoiles à neutrons – des propriétés qui seraient autrement impossibles à calculer. Les scientifiques pourraient même être en mesure de prédire approximativement les sons qu’ils émettent.

    «Il est assez difficile d’écouter une étoile à neutrons», déclare Martin Zwierlein, professeur de physique Thomas A. Franck au MIT. “Mais maintenant vous pouvez l’imiter dans un laboratoire en utilisant des atomes, secouer cette soupe atomique et l’écouter, et savoir comment une étoile à neutrons sonnerait.”

    Alors qu’une étoile à neutrons et le gaz de l’équipe diffèrent considérablement en termes de taille et de vitesse à laquelle le son se propage, d’après certains calculs approximatifs, Zwierlein estime que les fréquences de résonance de l’étoile seraient similaires à celles du gaz, et même audibles – ” si vous pouviez rapprocher votre oreille sans être déchiré par la gravité », ajoute-t-il.

    Les co-auteurs de Zwierlein sont l’auteur principal Parth Patel, Zhenjie Yan, Biswaroop Mukherjee, Richard Fletcher et Julian Struck du MIT-Harvard Center for Ultracold Atoms.

    Appuyez, écoutez, apprenez

    Pour créer un fluide parfait dans le laboratoire, l’équipe de Zwierlein a généré un gaz de fermions fortement interactifs – des particules élémentaires, telles que des électrons, des protons et des neutrons, qui sont considérés comme les éléments constitutifs de toute matière. Un fermion est défini par son demi-spin entier, une propriété qui empêche un fermion de prendre le même spin qu’un autre fermion proche. Cette nature exclusive est ce qui permet la diversité des structures atomiques trouvées dans le tableau périodique des éléments.

    «Si les électrons n’étaient pas des fermions, mais heureux d’être dans le même état, l’hydrogène, l’hélium et tous les atomes, et nous-mêmes, ressembleraient à une soupe terrible et ennuyeuse», dit Zwierlein.

    Les fermions préfèrent naturellement se tenir séparés les uns des autres. Mais lorsqu’ils sont amenés à interagir fortement, ils peuvent se comporter comme un fluide parfait, avec une très faible viscosité. Pour créer un fluide aussi parfait, les chercheurs ont d’abord utilisé un système de lasers pour piéger un gaz de lithium-6 atomes, qui sont considérés comme des fermions.

    Les chercheurs ont configuré avec précision les lasers pour former une boîte optique autour du gaz de fermion. Les lasers étaient réglés de telle sorte que chaque fois que les fermions heurtaient les bords de la boîte, ils rebondissaient dans le gaz. De plus, les interactions entre fermions ont été contrôlées pour être aussi fortes que le permettait la mécanique quantique, de sorte qu’à l’intérieur de la boîte, les fermions devaient se heurter à chaque rencontre. Cela a transformé les fermions en un fluide parfait.

    “Nous devions fabriquer un fluide avec une densité uniforme, et ce n’est qu’alors que nous pourrions taper d’un côté, écouter l’autre côté et en tirer des leçons”, explique Zwierlein. “C’était en fait assez difficile d’arriver à cet endroit où nous pouvions utiliser le son de cette manière apparemment naturelle.”

    “Flux de manière parfaite”

    L’équipe a ensuite envoyé des ondes sonores à travers un côté de la boîte optique en faisant simplement varier la luminosité de l’un des murs, pour générer des vibrations sonores à travers le fluide à des fréquences particulières. Ils ont enregistré des milliers de clichés du fluide alors que chaque onde sonore se propageait.

    «Tous ces instantanés réunis nous donnent une échographie, et c’est un peu comme ce qui est fait lors de la prise d’une échographie chez le médecin», dit Zwierlein.

    En fin de compte, ils ont pu observer l’ondulation de densité du fluide en réponse à chaque type d’onde sonore. Ils ont ensuite recherché les fréquences sonores qui généraient une résonance, ou un son amplifié dans le fluide, semblable à chanter sur un verre à vin et à trouver la fréquence à laquelle il se brise.

    «La qualité des résonances me renseigne sur la viscosité du fluide, ou diffusivité sonore», explique Zwierlein. “Si un fluide a une faible viscosité, il peut créer une onde sonore très forte et être très fort, s’il est frappé juste à la bonne fréquence. S’il s’agit d’un fluide très visqueux, alors il n’a pas de bonnes résonances.”

    À partir de leurs données, les chercheurs ont observé des résonances claires à travers le fluide, en particulier aux basses fréquences. À partir de la distribution de ces résonances, ils ont calculé la diffusion sonore du fluide. Cette valeur, ont-ils constaté, pouvait également être calculée très simplement via la constante de Planck et la masse du fermion moyen dans le gaz.

    Cela a dit aux chercheurs que le gaz était un fluide parfait et de nature fondamentale: sa diffusion sonore, et donc sa viscosité, était à la limite la plus basse possible fixée par la mécanique quantique.

    Zwierlein dit qu’en plus d’utiliser les résultats pour estimer le frottement quantique dans des matières plus exotiques, telles que les étoiles à neutrons, les résultats peuvent être utiles pour comprendre comment certains matériaux pourraient être amenés à présenter un flux supraconducteur parfait.

    «Ce travail est directement lié à la résistance des matériaux», explique Zwierlein. «Le fait d’avoir déterminé quelle est la plus faible résistance que vous pourriez avoir d’un gaz nous dit ce qui peut arriver avec les électrons dans les matériaux, et comment on peut fabriquer des matériaux où les électrons pourraient circuler de manière parfaite.

    Cette recherche a été soutenue, en partie, par la National Science Foundation et le NSF Center for Ultracold Atoms, le Air Force Office of Scientific Research, le Office of Naval Research et la David and Lucile Packard Foundation.

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