Un chemin vers la turbulence quantique en rotation // a way toward rotating quantum turbulence

Topic description

Les vortex quantiques, défauts filiformes de l'ordre quantique macroscopique, constituent les briques élémentaires de tout écoulement superfluide. L'objectif de ce projet est d'étudier ces objets par visualisation directe. À l'Institut Néel, nous avons développé un cryostat unique pour l'hélium II, capable de « décorer » ces vortex avec des particules solides de dihydrogène de taille micrométrique, dans des conditions expérimentales contrôlées et reproductibles (voir Fig. 1). En combinant trois caméras rapides avec une caméra haute sensibilité et haute résolution, nous pouvons reconstruire les trajectoires tridimensionnelles des particules piégées sur les cœurs de vortex. De plus, le cryostat et son instrumentation sont montés sur une plateforme rotative, permettant la génération de réseaux de vortex alignés avec l'axe de rotation, un état analogue au réseau d'Abrikosov dans les supraconducteurs. Cet état canonique bien défini, sans équivalent dans les fluides classiques, servira de configuration initiale pour ce projet de thèse (voir [1], [2] et [3]). Celui-ci vise à explorer les processus dynamiques menant à la destruction du réseau ordonné de vortex et déclenchant l'émergence de turbulence quantique dans le référentiel tournant.
En perturbant hydrodynamiquement un réseau de vortex à l'état stationnaire, nous avons identifié trois régimes (voir Fig. 2) : un premier régime (A), où le réseau reste insensible à la perturbation ; un deuxième régime (B), où des ondes se propagent le long des vortex quantifiés ; et un troisième régime (C), caractérisé par un état désordonné et turbulent. Ces régimes définissent une voie vers la turbulence quantique en rotation. Le ou la doctorant·e mènera une étude expérimentale détaillée du régime turbulent (C). Dans ce régime, les particules ne restent pas en permanence piégées sur les vortex. Cependant, comme l'ont montré des travaux antérieurs [4], les statistiques de vitesse des particules conservent des signatures des interactions vortex-particules. L'étude exploitera la compétition unique entre rotation et turbulence dans notre dispositif : la rotation tend à polariser l'enchevêtrement de vortex et à imprimer cette anisotropie sur les statistiques de vitesse des particules. Nous travaillerons en étroite collaboration avec des théoriciens pour comparer les simulations numériques de pointe [5] aux données expérimentales.
Ce projet s'inscrit dans un programme de recherche plus large soutenu par le projet ANR QuantumVIW, qui rassemble des expert·e·s en hydrodynamique expérimentale et théorique. Le ou la doctorant·e participera régulièrement aux réunions scientifiques de l'équipe.
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Quantum vortices, thin defects of the macroscopic quantum order, are the elementary blocks of all superfluid flows. The goal of our project is to investigate them through direct visualization. At Institut Néel, we have developed a one-of-a-kind helium II cryostat capable of “decorating” these vortices with micron-sized solid-dihydrogen particles under controlled and reproducible experimental conditions (See Fig.1). By combining three high-speed cameras with a high-sensitivity, high-resolution camera, we can reconstruct the three-dimensional trajectories of particles trapped on vortex cores. Moreover, the cryostat and its instrumentation are mounted on a rotating platform, enabling the generation of vortex arrays aligned with the rotation axis, a state analogous to an Abrikosov lattice in superconductors. This well-defined canonical state with no counterpart in classical fluids will serve as the initial configuration for this PhD project (see [1], [2] and [3]), which aims to explore dynamical processes that lead to the destruction of the ordered vortex lattice and trigger the onset of quantum turbulence in the rotating frame.

By hydrodynamically perturbing a steady-state vortex network, we have identified three regimes (see Fig. 2): a first one (A), in which the lattice remains insensitive to the perturbation; a second one (B), in which waves propagate along the quantized vortices; and a third one (C), which is a disordered, turbulent regime. These different regimes define a way toward rotating quantum turbulence. The PhD candidate will carry out a detailed experimental study of the turbulent regime (C). In this regime, particles do not remain continuously trapped on the vortices. However, as shown by previous work [4], the particle velocity statistics retain signatures of vortex–particle interactions. The study will exploit the unique competition between rotation and turbulence in our apparatus: rotation tends to polarize the vortex tangle and to imprint this anisotropy on the particle-velocity statistics. We will work in close collaboration with theorists to compare state-of-the-art numerical simulations [5] with experimental data.
This project is part of a wider research program supported by the ANR project QuantumVIW, which brings together experts in experimental and theoretical hydrodynamics. The PhD student will engage in regular scientific meetings within the team.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral