L’écoulement turbulent des superfluides

Lorsque l’on pense à une tornade, on imagine souvent un long filament qui se déplace dans l’espace, entraînant tout ce qui se trouve sur son passage. Appelées vortex par les physiciens, ces formes sont présentes en grande quantité dans les fluides dont l’écoulement est tourbillonnaire : les fluides turbulents. Ceux-ci se rencontrent à toutes les échelles de notre univers, aussi bien dans l’espace que dans l’atmosphère ou dans les océans… jusque dans la tasse de café que l’on remue avec une petite cuillère ! Pour mieux comprendre ce phénomène de turbulence, les scientifiques mesurent la vitesse de rotation des liquides soumis à un tel écoulement, et dénombrent les vortex qui s’y forment. Cela leur permet de définir la circulation de ces écoulements turbulents, quantité qui dépend de l’échelle étudiée.

Une équipe de recherche s’est intéressée à la turbulence d’une classe très exotique de fluides appartenant au monde quantique : les superfluides. Ces substances, parmi lesquelles on peut compter certains gaz présents dans le cœur des étoiles, ont des propriétés bien spécifiques. Elles s'écoulent par exemple sans aucune friction car, grâce aux effets quantiques, leur viscosité est identiquement nulle.

L’étude a montré que la turbulence des superfluides est similaire sous certains aspects à la turbulence des fluides classiques, notamment en ce qui concerne la circulation aux échelles classiques1 . Néanmoins, on retrouve des différences importantes aux plus petites échelles. Ce travail de recherche fondamentale renforce l’idée selon laquelle la turbulence quantique est en quelque sorte le squelette de la turbulence classique que l'on observe dans les écoulements naturels. L’approfondissement de nos connaissances de la turbulence va permettre d’améliorer la modélisation de ces écoulements turbulents que l’on trouve partout dans l’univers.

• 1Par exemple, une centaine de micromètres dans un écoulement d’hélium superfluide turbulent.