Les superfluides sont l’une des découvertes les plus fascinantes et les plus importantes du XXe siècle. Leur étude est à la base des travaux lauréats du prix Nobel, et ils promettent une meilleure transmission de l’électricité et peuvent même aider à répondre aux secrets de l’univers avec leurs mystérieuses propriétés de «fluide quantique».
Wei Guo, professeur agrégé de génie mécanique à la FAMU-FSU College of Engineering, est le chercheur principal pour une nouvelle subvention financé par la National Science Foundation pour étudier la dynamique des superfluides. Les superfluides existent à des températures suffisamment basses pour que la mécanique quantique – qui traite de la physique à l’échelle des atomes ou des particules subatomiques – régit leur comportement. La recherche fera progresser notre compréhension de la turbulence quantique à l’aide de technologies de visualisation de flux en trois dimensions.
De gauche à droite, le chercheur postdoctoral Yuan Tang, l’étudiant diplômé de la FSU Toshiaki Kanai et le professeur Wei Guo du FAMU-FSU College of Engineering discutent du mouvement des particules de suivi dans l’hélium liquide de leur système de vélocimétrie de suivi de particules au Laboratoire national de champ magnétique élevé. (Mark Wallheiser / Collège d’ingénierie FAMU-FSU)
La subvention, qui débute à l’été 2021, est financée à 521 000 $ sur trois ans.
Recherches antérieures de Takeshi Egami du laboratoire national d’Oak Ridge a montré que lorsque l’hélium gazeux est refroidi à des températures extrêmes, il devient un liquide et se comporte bizarrement – il peut s’écouler sans frottement en tant que superfluide. L’absence de frottement signifie aucune perte d’énergie cinétique dans le fluide.
Guo et son équipe d’étudiants diplômés et de chercheurs postdoctoraux utiliseront la visualisation de flux multidimensionnelle pour approfondir l’étude du superfluide et de ses propriétés uniques.
« Nous refroidirons l’hélium à son état superfluide », a déclaré Guo. «Ensuite, nous développerons et utiliserons des systèmes avancés de visualisation de flux 3D pour étudier le phénomène lié à la turbulence dans ce fluide quantique.»
Le superfluide d’hélium, connu sous le nom de He II, intéresse les scientifiques car il leur permet d’étudier le monde quantique avec référence visuelle. Il a également une capacité supérieure à refroidir les instruments scientifiques tels que les collisionneurs de particules, les aimants supraconducteurs et les satellites. Une condition qui peut nuire à son efficacité est la turbulence. Lorsque le transfert de chaleur est relativement fort, des turbulences peuvent apparaître spontanément, et les chercheurs veulent mieux comprendre cela.
Les tubes vortex sont un autre phénomène trouvé dans He II que les chercheurs exploreront. Lorsque l’hélium superfluide est agité, des tubes vortex – comme de minuscules tornades avec des noyaux creux – peuvent apparaître. L’étude de leur dynamique peut nous aider à comprendre divers systèmes physiques qui ne peuvent pas être étudiés en laboratoire, tels que les étoiles à neutrons superfluides et même les chaînes cosmiques créées dans l’univers primitif.
« Nous savons que la méthode la plus efficace pour étudier les mouvements des vortex est d’imager les tourbillons », a déclaré Guo. «Nous visons à mettre en œuvre des technologies de visualisation de flux d’imagerie 3D pour résoudre plusieurs problèmes complexes dans le domaine de la turbulence quantique.»
L’équipe de Guo travaillera sur deux projets. Dans le premier projet, les chercheurs prévoient de construire un système de visualisation de flux stéréoscopique qui leur permet d’obtenir des informations de champ de vitesse 3D dans He II. Les scientifiques créeront une fine ligne de traceurs moléculaires en utilisant l’ionisation laser dans l’hélium liquide. Ces traceurs peuvent être excités avec une impulsion laser pour produire une lueur. À l’aide de deux caméras placées dans la direction perpendiculaire, ils peuvent capturer des images pour construire un profil 3D de la ligne de traceur.
« L’image 3D nous aidera à comprendre comment la turbulence affecte le transfert de chaleur dans He II », a déclaré le doctorant Toshiaki Kanai. «Nous appliquerons cela dans notre étude du contre-courant thermique induit par la chaleur dans He II.»
Dans le deuxième projet, les chercheurs prévoient d’utiliser de petites particules d’hydrogène congelé de la taille d’un micron pour identifier les tubes vortex dans He II. Ils éclaireront les particules sur les vortex pour prendre des images des lignes de vortex avec la caméra. Les lignes vortex ressemblent à des câbles électriques avec de nombreuses petites ampoules attachées.
«Voir ces petites ampoules sur des tourbillons nous permettra de déterminer où se trouvent les lignes de vortex et à quelle vitesse elles se déplacent», a déclaré Yuan Tang, chercheur post-doctoral.
Les chercheurs empileront des images de ce phénomène pour générer le profil 3D des tourbillons. Cette méthode leur permettra de suivre le mouvement des tourbillons, ce qui fournira des informations précieuses sur leurs statistiques de vitesse et d’orientation.
L’équipe de Guo, avec le soutien préalable de NSF, a développé de puissantes techniques de visualisation de flux utilisées dans leurs recherches antérieures sur la turbulence quantique. Ils ont appliqué avec succès ces techniques pour visualiser des tubes vortex dans des fluides quantiques et veulent aller plus loin en implémentant des processus tridimensionnels à l’équation.
Kanai travaillera sur l’expérience de vélocimétrie de marquage moléculaire stéréoscopique. Tang développera le système de vélocimétrie à balayage des particules. Le groupe collabore avec le professeur William Vinen de l’Université de Birmingham au Royaume-Uni. Vinen est un expert renommé en turbulence quantique, et il travaillera avec l’analyse des données et l’interprétation des résultats dans les deux activités de recherche.
La source: Université d’État de Floride
