Le couplage phonon-roton dans l’hélium liquide et dans les gaz de fermions superfluides

L’hélium 4 liquide est le premier système physique ayant conduit à l’observation de ce phénomène quantique macroscopique fascinant qu’est la superfluidité. Bien que sa phase superfluide ait fait l’objet d’études approfondies depuis presque un siècle, elle présente encore quelques phénomènes fondamentaux non totalement compris d’un point de vue quantitatif. L’un d’entre eux est l’atténuation des ondes sonores qui, comme il est habituel en présence d’interactions à courte portée, se propagent dans le fluide suite à une perturbation de la densité.

À basse température, l’hélium 4 superfluide comporte deux types d’excitations, les phonons et les rotons. Les phonons sont les quasi-particules bien connues composant l’onde sonore dans une description quantique ; ils ont l’habituelle relation de dispersion linéaire à faible nombre d’onde. Les rotons, en revanche, découverts dans l’hélium, sont des quasi-particules massives un peu étranges car leur relation de dispersion présente un minimum non nul (une bande interdite) pour un nombre d’onde non nul. L’amortissement des phonons (donc du son) par diffusion sur les rotons a été calculé par Landau et Khalatnikov en 1949 mais n’a jamais fait l’objet d’une vérification expérimentale précise ; pire, des mesures récentes [Fåk et al., PRL (2012)] pointent vers un désaccord.

Une collaboration théorique entre l’université d’Anvers et deux équipes du LKB a permis d’obtenir ce qui devrait être l’expression définitive du couplage phonon-roton à basse température, en incluant des termes qui avaient été omis ou même, pour l’un d’entre eux, oublié dans l’article de 1949. Cette nouvelle prédiction devrait pouvoir être confirmée expérimentalement par des mesures précises dans l’hélium 4, liquide de bosons, à basse température. Dans le même travail, la théorie a été étendue à un autre système, un gaz d’atomes fermioniques dans un piège à fond plat, qui n’existait pas en 1949 mais qui ont été récemment préparé en laboratoire dans l’équipe de Martin Zwierlein au MIT et dans l’équipe de Christophe Salomon au LKB. Ce système est superfluide à basse température et présente lui aussi deux types d’excitations, des phonons et des quasi-particules BCS (paires de fermions brisées), ces dernières ayant bien une relation de dispersion rotonique (avec une bande interdite et une masse effective non nulle). L’amplitude de diffusion des phonons sur les quasi-particules BCS n’avait cependant jamais été calculée auparavant. C’est maintenant chose faite.

Une confirmation expérimentale des couplages nouvellement prédits permettrait de clore un chapitre important de la physique des systèmes quantiques macroscopiques à basse température.

Publication : « Landau Phonon-Roton Theory Revisited for Superfluid 4He and Fermi gases« , Yvan Castin, Alice Sinatra, Hadrien Kurkjian, PRL 119, 260402 (2017).

Auteur correspondant : Yvan Castin