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Commentaire de Dudule

sur L'hélium liquide, un superfluide étonnant !


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Dudule 19 septembre 2011 23:19

Pour compléter ce qu’à écris xtf17 :

Transition de phase avec paramètre d’ordre (variation continu d’un paramètre de 0% à 100%) donc sans chaleur latente (Guinzburg-Landau, cité dans l’article pour ce dernier). Exemple : l’aimantation d’un matériaux ferromagnétique en dessous de la température de curie. On peut faire varier continument l’aimantation moyenne de 0% à 100% (tous les moment magnétiques des atomes dans le même sens à 100%).

Par contre, certains changements de phase n’obéissent pas du tout à ce schéma : pas de brisure de symétrie (un liquide et un gaz sont tout autant désordonné, du point de vu de l’orientation spatiale des molécules, aucune direction privilégié dans l’un par rapport à l’autre, contrairement à ce qui apparait dans un matériaux ferromagnétique dans lequel une aimantation apparait dans une direction précise), pas de paramètre d’ordre qui varierait continument. Ce sont les changements d’état (liquide, gaz, etc...).

Il existe des tas de transitions de phase autres que celles qui concernent des changements d’états.

Tout ça pour dire que vous faites une confusion (pour joletaxi) : il y a bien une chaleur latente de liquéfaction lorsque vous faites passer votre hélium de l’état gazeux à l’état liquide. Normal. Mais la transition à l’état suprafluide (lorsque votre hélium est déjà liquide, donc si vous avez continué à baisser la température) est d’une tout autre nature, c’est une condensation de Bose-Einstein : les atome d’Hélium sont des bosons et ont « le droit » d’occuper n’importe quel état quantique (contrairement aux fermions qui ne peuvent occuper le même état qu’un autre fermion : exemple : deux électrons d’un atomes ne peuvent occuper le même état, d’où le remplissage en couches des orbitales atomiques).

D’où une certaine proportion qui se « mélange », qui « dégénère » pour employer le jargon, la proportion d’hélium dégénéré (qui occupe le même état quantique) représente le paramètre d’ordre.

En complément, pour comprendre la condensation de Bose : des fermions ne peuvent occuper le même état quantique. Un grand nombre de fermions dans un système « s’empilent » donc sur les états quantiques disponibles, de la façon à les remplirent en partant des états de plus basse énergie. Exemple donné plus haut : les électrons qui remplissent les « couches » (orbitales) atomiques. Ou les électrons dans un métal, qui s’empilent jusqu’au niveau de Fermi.

Les bosons n’ont pas cette contrainte, donc si l’énergie d’un système devient trop basse, tous s’effondrent sur les niveaux d’énergie les plus bas. C’est pour ça qu’on parle de « condensation » de Bose : ce n’est pas une condensation au sens concret, c’est une condensation au sens énergétique : les bosons « tombent » sur les états de plus basse énergie.

Au zéro absolu (température impossible à atteindre), tous les bosons d’un système quantique sont sur le niveau le plus bas, le niveau fondamental. Le système est complètement « dégénéré ».

Mais c’est une transition continue : au fur et à mesure que vous baisser la température, un plus grand nombre de bosons « dégénèrent », se mélangent dans le même état quantique. C’est graduel est fonction des conditions extérieurs. Ce n’est pas une transition du même type que la solidification, par exemple, où si vous mettez de l’eau sous zéro degré à 1 atm, toute votre eau va geler, et si jamais sa ne se passe pas comme ça (surfusion), la transition de phase peut-être très brutale à la moindre perturbation.


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