Spectroscopie Brillouin de l’hélium superfluide métastable

Brillouin spectroscopy of metastable superfluid helium

• Auteur / Autrice : Lionel Djadaojee
• Direction : Jules Grucker
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 06/04/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Saïda Guellati-khélifa
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jules Grucker, Philippe-Emmanuel Roche, Frédéric Caupin, Coralie Weigel, Jean-François Allemand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe-Emmanuel Roche, Frédéric Caupin

Mots clés

Mots clés libres

Équation d'état

Spectroscopie Brillouin

Hélium superfluide métastable

Equation of state

Brillouin spectroscopie

Metastable superfluid hélium

Résumé

L'hélium 4 liquide à basse température est un système modèle pour l'étude de la matière condensée car il peut être préparé expérimentalement avec une remarquable pureté. Il est ainsi possible de réaliser des états métastables de l'hélium-4 très éloignés de l'équilibre thermodynamique. Notre équipe a développé une technique expérimentale permettant de créer de tels états métastables (états de pression négative) par la focalisation d'ondes acoustiques dans le liquide. Pour une densité suffisamment faible, l'hélium 4 métastable se déstabilise et une bulle de gaz apparait. Ce phénomène est appelé ``cavitation''. Cependant, la densité de cavitation mesurée à T =~1 K, combinée avec l'équation d'état théorique actuelle, conduit à une pression de cavitation incompatible avec des estimations expérimentales indépendantes. Seule une investigation expérimentale directe des propriétés de l'hélium à pression négative pourra permettre de lever cette contradiction. Au cours de ma thèse, nous avons développé une technique de spectroscopie Brillouin stimulée qui permet de sonder la vitesse du premier son de l'hélium 4 à pression négative. Combinée avec la technique de mesure de la densité, cette technique nous a permis de mesurer l'équation d'état de l'hélium métastable jusqu'à des pressions de -1~bar. De nouvelles estimations de la pression de cavitation sont également effectuées, compatibles avec un mécanisme de nucléation homogène dans l'hélium, mais qui laissent entrevoir l'effet possible des vortex quantiques dans le processus de cavitation.

Liquid helium 4 at low temperature is a model system for the study of condensed matter because it can be prepared experimentally with a remarkable purity. It is thus possible to realize metastable states of helium-4 very far from the thermodynamic equilibrium. Our research team has developed an experimental technique to create such metastable states (negative pressure states) by focusing acoustic waves in the liquid. For a sufficiently low density, the metastable helium 4 destabilizes and a gas bubble appears. This phenomenon is called ''cavitation''. However, the measured cavitation density at T =~1 K, combined with the current theoretical equation of state, leads to a cavitation pressure which is incompatible with independent experimental estimations. Only a direct experimental investigation of the properties of helium at negative pressure could resolve this contradiction. During my thesis, we have developed a stimulated Brillouin spectroscopy technique which allows to probe the speed of the first sound of helium at negative pressure. Combined with the density measurement technique, this technique allowed us to measure the equation of state of metastable helium down to pressures of -1~bar. New estimates of the cavitation pressure are also made, consistent with a homogeneous nucleation mechanism in helium, but which hint at the possible effect of quantum vortices in the cavitation process.