Un nouveau régime pour l’amortissement du son dans un superfluide

Les ondes sonores sont omniprésentes en physique, en particulier dans les systèmes quantiques macroscopiques où tous les superfluides constitués de particules neutres possèdent une branche d’excitation acoustique. Les ondes sonores sont dans ce cas composées de particules appelées phonons. À basse température, les phonons représentent les seuls degrés de liberté microscopiques du superfluide, et la dynamique des phonons et leurs interactions déterminent de façon cruciale les propriétés du système telles que les phénomènes de transport, la viscosité, l’amortissement du son et la cohérence quantique macroscopique.

On peut distinguer deux types de superfluides selon que la branche d’excitation acoustique est convexe ou concave. Dans le cas convexe, les interactions dominantes entre phonons sont des processus à trois phonons. Ceci est le cas des condensats de Bose-Einstein et de l’hélium superfluide à la pression ordinaire. L’amortissement du son dans ce type de superfluide a été calculé par Beliaev et Landau, et il a déjà été mesuré dans les expériences. Dans le cas concave, les interactions entre phonons se font principalement par des processus à quatre phonons, comme l’avaient compris Landau et Khalatnikov en 1949. Cependant l’amortissement du son n’avait pas été calculé depuis presque 70 ans car ce cas était considéré comme exotique.

Une collaboration entre deux équipes du LKB a conduit à la première prédiction de l’amortissement du son dans le cas concave. Cet effet, qui n’a pas encore été observé expérimentalement, pourrait être mis en évidence pour la première fois dans deux systèmes étudiés au Laboratoire Kastler Brossel : l’hélium liquide superfluide sous pression et les gaz de fermions condensés par paire en interaction forte. Une telle observation ouvrirait un nouveau chapitre dans l’exploration de la dynamique à basse température des systèmes quantiques macroscopiques.

Publication
Landau-Khalatnikov phonon damping in strongly interacting Fermi gases“, H. Kurkjian, Y. Castin, A. Sinatra, EPL 116, 40002 (28 décembre 2016)

Auteur correspondant
Alice Sinatra,  alice.sinatra@lkb.ens.fr