Dynamique des vortex quantiques et des ondes inertielles dans l'hélium superfluide en rotation – QuantumVIW

Lorsque l'isotope le plus commun de l'hélium est refroidi à une température inférieure à 2.17K, il apparaît dans une phase fluide atypique appelée He II. Celle-ci consiste en un mélange d'un fluide normal, visqueux, et d'un superfluide, non-visqueux, qui interagissent par des forces de friction mutuelle. De manière remarquable, la vorticité de la composante superfluide de l’He II est localisée dans des tourbillons de taille atomique et dont la circulation (l'intégrale de la vitesse sur une boucle fermée) est quantifiée par le rapport entre la constante de Planck et la masse de l’atome d’hélium: on parle de tourbillons quantiques. La description de la dynamique de l'He II dans son intégralité reste toutefois à ce jour un défi et il n'existe pas encore de théorie unifiée capable de décrire l’ensemble des régimes et des échelles des écoulements d'He II. Ce projet se concentre sur l'interaction entre les tourbillons quantiques, briques élémentaires des écoulements de superfluide, et la composante normale du fluide lorsque l’He II est mis en rotation et soumis à un flux de chaleur. Nous considérerons trois configurations. Dans la première, nous étudierons un récipient d’He II soumis à une rotation d’ensemble dans lequel un réseau hexagonal de tourbillons quantiques est attendu. Nous modulerons lentement le taux de rotation de l’He II pour pouvoir étudier la dynamique associée de création ou de disparition de tourbillons quantiques. Nous étudierons ensuite un écoulement d’He II en rotation forcé par un flux de chaleur modéré (éventuellement oscillant), dans lequel nous caractériserons les instabilités conduisant à la propagation de modes ondulatoires de Kelvin, de Tkachenko et d'inertie dans le réseau de tourbillons quantiques et leur interaction avec les ondes d’inertie dans la composante classique de l’He II. Nous étudierons finalement l'écoulement d’He II en rotation forcé par un flux de chaleur intense pour lequel nous nous concentrerons sur les interactions et les reconnexions entre tourbillons quantiques et sur l'état de turbulence quantique que nous atteindrons finalement. Cette étude sera réalisée grâce à des expériences et des simulations numériques innovantes et coordonnées pour décrire la « transition à la turbulence quantique » que la succession de ces trois configurations forment ensemble. Dans les expériences, nous utiliserons des techniques avancées de visualisation des tourbillons quantiques dans un cryostat tournant et, dans les simulations numériques, une nouvelle approche qui s’appuie sur un traitement auto-consistant du couplage entre tourbillons quantiques et fluide normal. Grâce à ces approches complémentaires et au tout meilleur niveau scientifique et technologique actuel, nous apporterons un nouvel éclairage sur la dynamique de l'He II et ouvrirons la voie à des avancées théoriques concernant la transition à la turbulence quantique.