Qu’est-ce que l’hélium superfluide ?
Lorsque l’hélium est amené en dessous des températures cryogéniques (2,17 K), il devient liquide et sans viscosité.
L’hélium dans cet état est appelé hélium superfluide.
L’hélium subit une transition de phase gazeuse à liquide lorsque la température est abaissée. Si la température est encore abaissée, une deuxième transition de phase se produit et de l’hélium superfluide se forme. La température de transition à ce stade est appelée point λ.
L’hélium superfluide possède des propriétés très spécifiques.
À l’état superfluide, les forces entre les atomes deviennent très faibles. C’est pourquoi un seul atome d’hélium peut pénétrer s’il existe un espace à travers lequel il peut passer. La perte de viscosité provoque également des phénomènes qui ne se produiraient pas normalement.
À ce jour, il a été confirmé que l’hélium 3 et l’hélium 4 deviennent de l’hélium superfluide, bien que le point lambda soit différent.
Utilisations de l’hélium superfluide
L’hélium superfluide est utilisé pour le refroidissement.
Il s’agit d’un très bon conducteur de chaleur. En théorie, la conductivité thermique est infinie, ce qui en fait un milieu idéal pour refroidir des éléments chauffants.
Cependant, dans les applications pratiques, les coûts de contrôle de la température pour maintenir l’état d’hélium superfluide sont importants, c’est pourquoi il est parfois utilisé à l’état d’hélium liquide.
Parmi les applications prometteuses de l’hélium superfluide figure son utilisation pour refroidir les bobines hélicoïdales supraconductrices, comme dans les IRM.
Ces équipements génèrent un champ magnétique élevé, de sorte que les aimants et d’autres pièces deviennent chauds. Un refroidissement efficace à l’aide d’hélium superfluide génère un champ magnétique puissant qui ne peut être obtenu avec de l’hélium liquide, ce qui améliore la précision des mesures.
De plus, la moindre quantité de chaleur générée dans l’équipement utilisé pour les dispositifs de mesure des micro-signaux peut affecter la précision de la mesure, c’est pourquoi l’hélium superfluide doit être utilisé pour refroidir l’équipement de manière efficace.
Caractéristiques de l’hélium superfluide
L’hélium superfluide se présente sous forme liquide, mais à l’état superfluide, il n’y a pas de frottement entre les atomes. C’est pourquoi l’hélium liquide n’a pas de viscosité.
La raison en est que l’interaction entre les atomes est éliminée, ce qui permet aux atomes de se déplacer indépendamment les uns des autres. Par conséquent, tout espace de la taille d’un atome peut être pénétré. Par ailleurs, comme les atomes peuvent se déplacer librement, ils peuvent grimper le long des parois du récipient d’hélium superfluide et en sortir (phénomène de superfluidité)
L’une des caractéristiques de l’hélium superfluide est que le liquide n’a pas de viscosité, de sorte qu’une fois qu’il commence à s’écouler, il peut continuer à s’écouler indéfiniment. C’est une caractéristique de l’hélium superfluide qui, comme la supraconductivité, possède la propriété d’écoulement perpétuel, ce qui signifie que si un courant électrique est appliqué à un supraconducteur pendant un moment, il continuera à s’écouler pour toujours.
De la même manière qu’un courant électrique circule dans un supraconducteur, l’hélium superfluide a la propriété de tourner perpétuellement lorsqu’on le fait tourner à grande vitesse.
Vu qu’il n’est pas visqueux, il a donc la propriété de s’écouler à un débit constant quelle que soit la pression lorsqu’on le fait passer dans des tubes très fins.
L’hélium superfluide ne crée pas d’équilibre thermique, ce qui permet de construire des systèmes de refroidissement très efficaces par échange de chaleur. (conduction de la surchauffe)
Pour obtenir les propriétés de l’hélium superfluide, il faut maintenir des températures cryogéniques. Les propriétés de l’hélium superfluide sont perdues dès que l’on dépasse la température à laquelle l’hélium superfluide reste superfluide (le point λ). Ceci constitue un défi lorsqu’il s’agit d’hélium superfluide.
Ainsi, l’hélium superfluide présente des caractéristiques particulières que l’on ne retrouve pas dans l’espace normal.
À l’heure actuelle, l’hélium superfluide est principalement utilisé pour le refroidissement, mais d’autres technologies sont en cours de développement pour exploiter ses autres propriétés.