Cavitation dans l'hélium 3 : un liquide de Fermi à pression négative
Résumé
By focusing an intense sound wave in an ultrapure liquid, we have studied homogeneous cavitation, i.e. the limiting depression beyond which this liquid becomes intrinsically unstable relatively to its vapor. Two liquids are particularly pure, because they are colder than all others, helium 4 and helium 3. The properties of these two liquids are so well-known that the theory made it possible to calculate the "spinodal limits" close to which cavitation must take place: -9,5 bar for helium 4 and -3,1 bar for helium 3. By performing a study under pressure, we have shown that cavitation indeed occurred in helium 4 between -8 and -10,5 bar and in helium 3 between -2,4 and -2,9 bar. In addition, a previous study had shown that, in helium 4, there is a transition between a classical regime (where cavitation is stochastic and depends on the temperature; indeed, the nucleation of bubbles results from the overcoming of an energy barrier by thermal fluctuations) and a quantum regime (where nucleation takes place by quantum tunnelling through the barrier). By carrying out for the first time measurements on helium 3, we have discovered that the transition towards quantum cavitation did not occur at the expected temperature; conversely the cavitation pressure becomes more negative around 40 mK. We then proposed the following interpretation: at low temperature, helium 3 is a "Fermi liquid" where only the energy of the long wavelength fluctuations decreases close to the spinodal limit; the energy of the short wavelength fluctuations remains high because of the existence of a quantum stiffness responsible for the "zero sound". In order for bubble nucleation to occur at low temperature, it is thus necessary to bring helium 3 much closer to its spinodal limit than was predicted before, in order for the size of the critical nucleus to be large.
En focalisant une onde sonore intense dans un liquide ultra-pur, nous avons étudié la cavitation homogène, c'est-à-dire la dépression limite au delà de laquelle ce liquide devient intrinsèquement instable au profit de sa vapeur. Il existe deux liquides particulièrement purs, parce qu'ils sont plus froids que tous les autres, l'hélium 4 et l'hélium 3. Les propriétés de ces deux liquides sont si bien connues que la théorie a permis de calculer les " limites spinodales " près desquelles la cavitation doit avoir lieu : -9,5 bar pour l'hélium 4 et -3,1 bar pour l'hélium 3. Grâce à une étude en pression, nous avons montré que la cavitation avait bien lieu dans l'hélium 4 entre -8 et -10,5 bar et dans l'hélium 3 entre -2,4 et -2,9 bar. Par ailleurs, une étude précédente avait montré que, dans l'hélium 4, il existe une transition entre un régime classique (où la cavitation est aléatoire et dépend de la température ; en effet, la nucléation des bulles résulte du passage au dessus d'une barrière d'énergie sous l'effet des fluctuations thermiques) et un régime quantique (où la nucléation a lieu par effet tunnel à travers la barrière). En réalisant pour la première fois les mesures sur l'hélium 3, nous avons découvert qu'il n'existait pas de transition vers un régime de cavitation quantique à la température prévue ; au contraire la pression de cavitation devient brusquement plus négative à 40 mK. Nous avons alors proposé l'interprétation suivante : à basse température, l'hélium 3 est un " liquide de Fermi " où seule l'énergie des fluctuations de grande longueur d'onde diminue lorsqu'on s'approche de la limite spinodale ; celle des fluctuations de courte longueur d'onde reste élevée en raison de l'existence d'une rigidité quantique responsable du " son zéro ". Pour que la nucléation des bulles ait lieu à basse température, il faut donc amener l'hélium 3 beaucoup plus près de sa limite spinodale qu'on ne le croyait jusqu'à présent, afin que la taille du germe critique soit grande.
Loading...