Une voie vers la turbulence quantique en rotation tracée par visualisation directe des vortex quantiques dans l'hélium 4

A path towards rotating quantum turbulence tracked by direct visualization of quantum vortices in helium-4

• Auteur / Autrice : Florian Lorin
• Direction : Mathieu Gibert
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MCBT

Mots clés

Mots clés libres

Hélium superfluide

Turbulence

Vortex quantiques

Hydrodynamique quantique

Superfluid helium

Turbulence

Quantum vortices

Quantum hydrodynamics

Résumé

Les vortex quantiques dans l'hélium II constituent la brique élémentaire de tous les écoulements superfluides. Le projet de cette thèse est de les étudier par visualisation directe. A l'Institut Néel, nous avons développé le seul cryostat au monde aujourd'hui capable de décorer ces vortex de particules microniques de dihydrogène solide dans des conditions expérimentales contrôlées et reproductibles. En utilisant 3 caméras rapides et une caméra sensible haute résolution, nous sommes capables de reconstruire les trajectoires de ces flocons de dihydrogène piégés sur le cœur des vortex. De plus, le cryostat et l'instrumentation sont montés sur une table tournante, ce qui permet la génération et l'étude de réseaux de vortex alignés avec l'axe de rotation. Cet état canonique (comparable avec un réseau d'Abrikosov en supraconductivité) sera utilisé comme configuration de base dans les écoulements que nous considérerons dans cette thèse. En effet, en perturbant cet état stationnaire par un contre-écoulement ou par des variations du taux de rotation, nous pourrons étudier les processus de création/annihilation de vortex, la propagation des ondes le long de ces objets (des ondes de Kelvin aux solitons en passant par les modes collectifs du réseau), ainsi que les reconnexions inter-vortex. L'ambition générale de la thèse sera de déterminer expérimentalement la dynamique d'un réseau de vortex quantiques polarisé (en rotation) en réponse à un flux de chaleur imposé sur une paroi. Les différents régimes explorés définissent une voie vers la turbulence quantique en rotation.

Quantum vortices in helium II are the building blocks of all superfluid flows. This thesis aims to study them using direct visualization. At Institut Néel, we have developed the only cryostat in the world today capable of decorating these vortices with micron-sized particles of solid dihydrogen under controlled and reproducible experimental conditions. Using 3 high-speed cameras and a sensitive high-resolution camera, we are able to reconstruct the trajectories of these dihydrogen flakes trapped at the heart of the vortices. In addition, the cryostat and instrumentation are mounted on a turntable, enabling the generation and study of vortex arrays aligned with the axis of rotation. This canonical state (comparable with an Abrikosov lattice in superconductivity) will be used as the basic configuration in the flows we will consider in this thesis. Indeed, by perturbing this stationary state, either by counterflow or by rotation rate variations, we will be able to study vortex creation/annihilation processes, wave propagation along these objects (from Kelvin waves to solitons and lattice collective modes), as well as inter-vortex reconnections. The overall ambition of the thesis will be to experimentally determine the dynamics of a polarized (rotating) quantum vortex network in response to an imposed heat flux on a wall. The different regimes explored will define a pathway towards rotating quantum turbulence.