Description

Proche du zéro absolu, l’hélium-4 liquide se présente dans un état superfluide connu comme He II où il a des propriétés hydrodynamiques uniques. À des températures finies entre 1 et 2 K, l’He II peut être vu comme le mélange d’un fluide normal visqueux et d’un superfluide sans viscosité, dont la vorticité est concentrée dans des tourbillons dits quantiques d’épaisseur atomique et d’intensité fixe. Quand l’He II est soumis à la rotation, ces vortex quantiques s’alignent avec l’axe de rotation et composent un réseau périodique de vortex hautement régulier. La perturbation de ce réseau par des mécanismes externes peut donner lieu à une variété de mouvements ondulatoires dans le fluide, tels que les ondes inertielles bien connues dans les fluides classiques en rotation, mais aussi à des ondes spécifiques à la nature discrète des vortex dans l’He II. L’intensification d’une telle perturbation peut mener à un état de turbulence quantique en rotation qui reste aujourd’hui très mal compris.

Dans ce projet de thèse, on s’intéressera aux mécanismes de déstabilisation du réseau de vortex quantiques en rotation par des perturbations externes et surtout à l’état pleinement turbulent qui en résulte. Dans ce dernier, on caractérisera la structure spatiale des vortex quantiques et on cherchera à dévoiler des potentielles similarités avec la turbulence classique en rotation, où les ondes inertielles jouent un rôle déterminant et où les mécanismes de transfert d’énergie entre différentes échelles sont fortement altérés par la rotation. Pour étudier ces mécanismes fondamentaux, on réalisera les premières simulations numériques de turbulence quantique en rotation dans des configurations spatialement homogènes, ce qui est permis par une méthode numérique originale développée récemment au LEGI. Nos résultats numériques seront comparés quantitativement à des mesures expérimentales effectuées dans une plateforme rotative à l’Institut Néel, où les vortex quantiques peuvent être visualisés directement. Ce projet avancera substantiellement la compréhension des écoulements d’He II soumis à la rotation, en particulier dans les régimes transitoires et turbulents où les mesures expérimentales présentent des difficultés majeures. Il renforcera également l’analogie entre turbulence classique et quantique, pouvant mener à la conception de nouvelles approches permettant de modéliser les écoulements turbulents dans les fluides classiques.

Compétences requises

La/le candidat(e) devra avoir des connaissances en mécanique des fluides. Des notions de turbulence et de dynamique de vortex seront particulièrement appréciées. Une expérience en programmation est également nécessaire (par exemple en Julia, Python, Matlab, Fortran, C, C++, ...). La/le candidat(e) devra être capable de travailler dans une équipe, de communiquer ses résultats et d’interagir efficacement avec des collaborateurs. La maîtrise de la langue écrite est nécessaire (français et/ou anglais).

Bibliographie

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Mots clés

hélium superfluide, rotation, turbulence, ondes, vortex quantiques, simulation numérique