La matière entre dans l’état de liquide quantique à une température très basse, proche du zéro absolu. Comme le veut la physique classique, à cette température, les atomes devraient cesser de bouger, formant ainsi un cristal. Cependant, en raison d’effets quantiques, certaines substances ayant une faible masse atomique et une énergie du point zéro élevée (énergie minimale du système) sont capables de rester liquides.
La longueur d’onde de Broglie est l’un des paramètres issus des profondeurs mathématiques de la mécanique quantique, qui définit la densité de probabilité de trouver une particule dans un volume sélectionné de l’espace de configuration (l’espace de toutes les valeurs possibles de tous les paramètres d’une particule). Pour constater la manifestation des effets quantiques dans un fluide, il faut que la longueur d’onde de Broglie, calculée à partir de l’énergie du mouvement thermique des particules, soit proche de la valeur de la distance entre ces particules. Par exemple, pour l’hélium, une telle relation se produira à une température de seulement 2-3 K.
Dépendance de l’état de l’hélium par rapport à la pression (axe des ordonnées) et à la température (axe des abscisses)
Comme nous l’avons déjà mentionné, les substances ayant une énergie du point zéro élevée peuvent devenir des liquides quantiques à basse température. Une énergie du point zéro élevée implique la présence d’oscillations de particules même à des températures très basses. Si l’amplitude de ces oscillations est proche de la distance moyenne entre les particules de la substance, celle-ci conservera sa forme liquide.
Selon les particules qui le composent, le liquide peut être bosonique (composé de bosons) ou fermionique (composé de fermions).
Superfluidité et autres propriétés
Les liquides quantiques bosoniques sont capables de s’écouler à travers des capillaires étroits ou des fentes sans aucun frottement, cette propriété est appelée superfluidité. Il convient de noter qu’un tel phénomène est observé non seulement dans les liquides quantiques, mais aussi dans certains condensats de Bose et même dans l’hélium solide.
Matériel sur le sujet
La superfluidité s’explique comme suit. Comme on le sait, la mécanique quantique permet aux bosons de rester dans un seul état. À basse température, lorsque la vitesse des particules est relativement faible, il est énergétiquement plus favorable pour les bosons de fusionner en un seul état que d’interagir avec les parois du récipient, c’est-à-dire de passer à un autre état, dans lequel se produit la friction
La superfluidité a été expérimentalement atteinte par des liquides tels que l’hélium-II (2,172 K), l’hélium-3, l’hélium-4 et l’hydrogène (0,15 K). Il est très probable qu’à l’intérieur des étoiles à neutrons, la matière se trouve dans un état superfluide.
Contrairement aux fluides de Bose, qui sont superfluides, les fluides quantiques fermioniques sont de moins en moins capables de transmettre le son, dont on sait qu’il est transmis par les vibrations des particules, au fur et à mesure que la température diminue.
Les particules qui composent les superfluides sont généralement représentées sous la forme d’un condensat de Bose-Einstein.
Date de publication: 12-26-2023
Mettre à jour la date: 12-26-2023