L étude des vortex trouve sa justification dans le rôle que ces derniers jouent dans la turbulence quantique. L équation de Gross-Pitaevskii ne peut pas nous permettre de modéliser convenablement l Hélium superfluide, mais on peut l utiliser pour obtenir le paramètre d'ordre d un superfluide modèle, ayant le maximum de propriétés en commun avec l Hélium, notamment une courbe de dispersion identique, par la modification du terme d interactions.En supposant que le minimum roton influence l essentiel de la physique, on détermine la forme du paramètre d ordre loin de la perturbation créée par le vortex rectilinéaire axisymétrique par deux approches différentes - il apparaît alors que seuls deux paramètres sont nécessaires pour caractériser entièrement le profil.Le modèle proposé par Pomeau-Rica, qui offre la possibilité d étudier le superfluide près de la cristallisation, met en lumière l impact de la profondeur du minimum roton sur l amplitude des oscillations. Par comparaison avec les résultats obtenus ab initio par Reatto, les résultats donnés par le modèle de Berloff-Roberts exhibent un déphasage marqué, qui semble être une conséquence non-physique de la forme du spectre d excitation. Les calculs énergétiques laissent à penser que les oscillations portent une faible fraction de l énergie du vortex, l'énergie cinétique dominant.Le calcul du paramètre d ordre est effectué pour un anneau de grande taille par rapport à la distance interatomique, à vitesse nulle et à vitesse non-nulle. La détermination des énergies potentielle et cinétique permet d accéder à la vitesse maximale atteinte par l anneau en fonction de son rayon et de la comparer à la vitesse critique de Landau.
L étude des vortex trouve sa justification dans le rôle que ces derniers jouent dans la turbulence quantique. L équation de Gross-Pitaevskii ne peut pas nous permettre de modéliser convenablement l Hélium superfluide, mais on peut l utiliser pour obtenir le paramètre d'ordre d un superfluide modèle, ayant le maximum de propriétés en commun avec l Hélium, notamment une courbe de dispersion identique, par la modification du terme d interactions.En supposant que le minimum roton influence l essentiel de la physique, on détermine la forme du paramètre d ordre loin de la perturbation créée par le vortex rectilinéaire axisymétrique par deux approches différentes - il apparaît alors que seuls deux paramètres sont nécessaires pour caractériser entièrement le profil.Le modèle proposé par Pomeau-Rica, qui offre la possibilité d étudier le superfluide près de la cristallisation, met en lumière l impact de la profondeur du minimum roton sur l amplitude des oscillations. Par comparaison avec les résultats obtenus ab initio par Reatto, les résultats donnés par le modèle de Berloff-Roberts exhibent un déphasage marqué, qui semble être une conséquence non-physique de la forme du spectre d excitation. Les calculs énergétiques laissent à penser que les oscillations portent une faible fraction de l énergie du vortex, l'énergie cinétique dominant.Le calcul du paramètre d ordre est effectué pour un anneau de grande taille par rapport à la distance interatomique, à vitesse nulle et à vitesse non-nulle. La détermination des énergies potentielle et cinétique permet d accéder à la vitesse maximale atteinte par l anneau en fonction de son rayon et de la comparer à la vitesse critique de Landau.
Vortex quantiques, statistiques de la circulation de la vitesse et excitations dans la turbulence superfluide La superfluidité est un état fascinant de la matière caractérisé par l'absence de viscosité et la présence de défauts topologiques avec une circulation de vitesse quantifiée. Ces structures fondamentales de l'écoulement, également appelées vortex quantiques, peuvent interagir et se reconnecter suivant une dynamique très complexe. Le mouvement chaotique et désordonné de ces structures est connu sous le nom de turbulence quantique. Ces structures présentent une physique multi-échelle riche et certaines similitudes avec la turbulence classique, tel que la présence d'une cascade d'énergie de type Kolmogorov à grande échelle. Quelques exemples typiques de superfluides sont les condensats de Bose-Einstein et l'hélium superfluide à très basse température.Dans cette Thèse, nous étudions numériquement et analytiquement les propriétés statistiques de la turbulence quantique. Nous introduisons une équation de Gross-Pitaevskii généralisée qui prend en compte des interactions fortes et non locales entre les bosons. En particulier, ce modèle permet de considérer le minimum des rotons dans le spectre d'excitation observé dans l'hélium superfluide. En effectuant des simulations numériques directes, nous abordons deux problèmes spécifiques dans ce modèle : l'étude des propriétés de turbulence quantique de l'écoulement d'une part, et le processus de nucléation de vortex et d'émission des rotons dans le sillage d'un obstacle se déplaçant à différentes vitesses d'autre part.La Thèse traite principalement de l'étude des statistiques de la circulation de la vitesse. Cette quantité, définie par l'intégrale de lignes du champ de vitesse autour d'une boucle fermée, mesure la rotation locale dans l'écoulement à une échelle donnée. L'objectif est de caractériser la nature intermittente des statistiques de circulation dans la turbulence quantique, de fournir une comparaison avec la turbulence classique et de développer des modèles analytiques pour décrire les deux systèmes. Pour ce faire, nous analysons les données de simulations numériques directes à haute résolution de trois modèles : l'équation de Gross-Pitaevskii pour les fluides quantiques à basse température, les équations de Navier-Stokes pour les fluides classiques incompressibles et un modèle à deux fluides pour les superfluides à température finie. Nous analysons également des données expérimentales obtenues avec de l'hélium superfluide. Enfin, nous présentons quelques études préliminaires sur la circulation des vitesses dans la turbulence quantique bidimensionnelle.
Dynamique des particules actives dans les superfluides et leur interaction avec les vortex quantiques Les superfluides sont des fluides non visqueux dans lesquels la vorticité se concentre sur des filaments ayant une circulation quantifiée. Ces objets, appelés vortex quantiques, possèdent un comportement hydrodynamique. Expérimentalement, la dynamique des superfluides est souvent étudiée en utilisant des particules. Les particules sont aujourd’hui devenues l’outil principal pour visualiser les vortex quantiques. Dans cette thèse, nous étudions numériquement et analytiquement la dynamique des particules actives et de taille finie dans les superfluides. Le superfluide est modélisé avec l’équation Gross–Pitaevskii, tandis que les particules sont implémentées comme des potentiels répulsifs mobiles couplés avec la fonction d’onde macroscopique décrivant le superfluide. Le modèle est utilisé pour étudier l’interaction entre les particules et les tourbillons quantiques à très basse température. Cette première partie vise à donner un contexte théorique aux expériences actuelles dans lesquelles des particules macroscopiques sont utilisées pour échantillonner les vortex superfluides et la turbulence quantique. Plus précisément, nous abordons les problèmes suivants : la capture d’une particule par un vortex quantique, les reconnexions des filaments de vortex et la propagation des ondes Kelvin en présence de particules piégées, ainsi que la dynamique des particules dans la turbulence quantique en déclin. Dans la dernière partie du manuscrit, les effets de température finis sont étudiés dans le modèle Gross–Pitaevskii avec une troncature spectrale. L’objectif est de caractériser la dynamique des impuretés immergées dans un bain thermal et comment leur présence modifie les propriétés statistiques du fluide. En particulier, le mouvement aléatoire des impuretés et la dépendance en température du coefficient de frottement sont étudiés. Enfin, le clustering des impuretés et son effet sur les transitions de phase du condensat sont examinés.
Lorsqu'un gaz de bosons est suffisament refroidi, une transition de phase apparaît : toutes les particules se concentrent dans le m^eme état d'énergie. On appelle l'objet résultant de ce phénomène un condensat de Bose-Einstein. On peut le décrire par une fonction d'onde macroscopique, minimisant à l'équilibre la fonctionnelle d'énergie de Gross-Pitaevskii. Une des propriétés remarquables des condensats est leur superfluidité. Elle peut se manifester par l'apparition de vortex (tourbillons) dans un condensat mis en rotation. Dans cette thèse nous étudions le comportement asymptotique des minimiseurs de la fonctionnelle de Gross-Pitaevskii bi-dimensionelle et des énergies associées dans différents régimes de paramètres rendant compte de situations physiquement intéressantes. Nous cherchons à identifier certaines transitions de phase caractérisées par l'organisation des vortex du condensat. Dans une première partie nous étudions une situation où il est justié physiquement de considérer un problème simplifié. La minimisation de la fonctionnelle d'énergie est alors restreinte au premier espace propre de l'opérateur de Ginzburg-Landau (le plus bas niveau de Landau, lié à l'espace de Fock-Bargmann). Nous étudions théoriquement et numériquement le modèle simplifié dans un régime où le condensat est annulaire et contient un réseau de vortex déformé. Une seconde partie est consacrée à un régime de rotation extrême où le problème limite devient linéaire. Nous montrons que ce problème limite décrit correctement les asymptotiques d'énergie et de densité de matière. Sous une hypothèse supplémentaire nous démontrons qu'un vortex géant se forme, c'est-à-dire un condensat annulaire dont tous les vortex se rassemblent dans la zone centrale de faible densité de matière. Les deux dernières parties de la thèse sont consacrées à l'évaluation de la vitesse critique pour l'apparition du vortex géant. Nous montrons d'abord que le vortex géant apparaît au dessus d'un certain seuil que nous calculons en fonction des autres paramètres du problème, ce qui fournit une borne supérieure de la vitesse critique. Dans une quatrième partie nous montrons que cette borne supérieure est en fait optimale en considérant des vitesses proches du seuil par valeur inférieure. Nous montrons alors que des vortex sont présents dans le condensat et qu'ils se répartissent uniformément le long d'un cercle.
Depuis la description de la condensation d'un gaz de boson refroidit à 0K par Bose puis Einstein au début du XXe siècle, de nombreux travaux mathématiques, physiques et numériques ont été dédiés à l'étude des condensats de Bose-Einstein, et plus généralement de la superfluidité. Nous proposons dans cette étude des outils numériques dédiés à l'étude des excitations dans les condensats, ainsi qu'un modèle de la friction mutuelle dans l'hélium-II. Le modèle de Gross-Pitaevskii, consistant en une équation de Schrödinger non-linéaire, est utilisé pour décrire les superfluides. Des algorithmes basés sur les éléments finis, accompagnées d'une implémentation via le logiciel FreeFem++, sont proposées pour identifier les vortex dans des simulations numériques 2D et 3D ainsi que dans des images expérimentales. Diverses propriétés des vortex identifiés sont calculées: rayon des vortex, spectre de Kelvin, courbure, etc. Le problème aux valeurs propres de Bogoliubov-de Gennes, décrivant la stabilité d'un état stationnaire grâce à une linéarisation de l'équation de Gross-Pitaevskii autour de cet état, est ensuite étudié en couplant une méthode de Newton pour la recherche de l'état stationnaire et une bibliothèque de calcul de valeurs propres (ARPACK ou SLEPc) pour la résolution de l'équation de Bogoliubov-de Gennes. Deux codes FreeFem++ utilisant l'adaptation de maillage, l'un séquentiel, l'autre parallèlisé avec PETSc, sont proposés. Leur fonctionnement est validé sur des cas tests issus de la littérature pour des condensats à une et deux composantes. En ce qui concerne la friction mutuelle dans l'hélium-II, un modèle phénoménologique couplant les équations de Navier-Stokes et de Gross-Pitaevskii est proposé. Ce modèle est implémenté dans un code pseudo-spectral Fortran parallélisé et testé en deux et trois dimensions sur des exemples où des résultats analytiques dans le cas d'un couplage dans une seule direction permettent la détermination des paramètres numériques. Des résultats connus sont retrouvés pour valider le travail de modélisation effectué et des simulations de structures formées de trois anneaux de vortex et de reconnection de lignes de vortex sont réalisées.
Depuis la description de la condensation d'un gaz de boson refroidit à 0K par Bose puis Einstein au début du XXe siècle, de nombreux travaux mathématiques, physiques et numériques ont été dédiés à l'étude des condensats de Bose-Einstein, et plus généralement de la superfluidité. Nous proposons dans cette étude des outils numériques dédiés à l'étude des excitations dans les condensats, ainsi qu'un modèle de la friction mutuelle dans l'hélium-II. Le modèle de Gross-Pitaevskii, consistant en une équation de Schrödinger non-linéaire, est utilisé pour décrire les superfluides. Des algorithmes basés sur les éléments finis, accompagnées d'une implémentation via le logiciel FreeFem++, sont proposées pour identifier les vortex dans des simulations numériques 2D et 3D ainsi que dans des images expérimentales. Diverses propriétés des vortex identifiés sont calculées: rayon des vortex, spectre de Kelvin, courbure, etc. Le problème aux valeurs propres de Bogoliubov-de Gennes, décrivant la stabilité d'un état stationnaire grâce à une linéarisation de l'équation de Gross-Pitaevskii autour de cet état, est ensuite étudié en couplant une méthode de Newton pour la recherche de l'état stationnaire et une bibliothèque de calcul de valeurs propres (ARPACK ou SLEPc) pour la résolution de l'équation de Bogoliubov-de Gennes. Deux codes FreeFem++ utilisant l'adaptation de maillage, l'un séquentiel, l'autre parallèlisé avec PETSc, sont proposés. Leur fonctionnement est validé sur des cas tests issus de la littérature pour des condensats à une et deux composantes. En ce qui concerne la friction mutuelle dans l'hélium-II, un modèle phénoménologique couplant les équations de Navier-Stokes et de Gross-Pitaevskii est proposé. Ce modèle est implémenté dans un code pseudo-spectral Fortran parallélisé et testé en deux et trois dimensions sur des exemples où des résultats analytiques dans le cas d'un couplage dans une seule direction permettent la détermination des paramètres numériques. Des résultats connus sont retrouvés pour valider le travail de modélisation effectué et des simulations de structures formées de trois anneaux de vortex et de reconnection de lignes de vortex sont réalisées.
Nous déterminons la vitesse critique v c L d'une impureté en mouvement dans un superfluide de fermions par un raisonnement à la Landau, c'est-à-dire en nous limitant aux processus d'excitation minimale du superfluide par la particule. v c L est alors la plus petite des vitesses auxquelles ces processus sont énergétiquement permis. Comme le superfluide de fermions possède deux branches d'excitation, l'une fermionique prédite par la théorie de BCS et consistant à briser des paires de fermions, l'autre bosonique prédite par la RPA d'Anderson et consistant à les mettre en mouvement, il y a une vitesse critique de Landau v c , f L et v c , b L associée à chaque branche et v c L est la plus petite des deux. Dans l'espace des paramètres (force des interactions dans le superfluide, masse relative fermion–impureté), nous trouvons deux lignes de transition, correspondant respectivement à la discontinuité des différentielles première et seconde de v c L . Ces deux lignes se rejoignent en un point triple et partitionnent le plan en trois domaines. Nous étendons succinctement cette analyse au cas, très récemment réalisé à l'ENS, où l'objet en mouvement dans le superfluide de fermions est un superfluide d'impuretés bosoniques en interaction faible, plutôt qu'une impureté seule. Lorsque le potentiel chimique des bosons reste petit devant l'énergie de Fermi des fermions, la topologie des lignes de transition sur v c L ne change pas ; un résultat marquant est alors qu'au domaine v c L = c , où c est la vitesse du son dans le superfluide de fermions, correspond maintenant un domaine v c L = c + c B , où c B est la vitesse du son dans le superfluide de bosons, avec des frontières légèrement déplacées.