Conclusions et perspectives

Grâce à une analyse détaillée des excitations élémentaires à partir de nos données

expérimentales, les interactions entre quasi-particules ont pu être étudiées.

Tout d’abord, nous avons montré que l’interaction phonon-roton est répulsive avec un

coefficient A= 1.07±0.05, à P=0 bar. Ce coefficient semble rester constant en fonction

de la pression, mais il faudrait des points de mesure de pression supplémentaires pour

vérifier cette tendance.

Ensuite, nous avons montré que l’interaction maxon-deux rotons à P=24 bars est

forte, marquée par un élargissement de la largeur du maxon et par l’énergie du maxon qui

a un point d’inflexion àP_c≃20 bars. Cette pression de coupure pourrait être déterminée

plus précisément en faisant au moins un point de mesure supplémentaire, à P=20 bars

par exemple. Pour caractériser l’interaction, on pourrait utiliser la théorie de champ

moyen de Zawadowski, Ruvalds et Solana (ZRS) [22,23], qui est un traitement simplifié

d’un problème très complexe à N corps. Cette théorie a été principalement utilisée pour

analyser l’hybridation à l’origine de la forme de la relation de dispersion au delà de

2.3 Å−1, qui ne va pas rejoindre l’énergie de recul, mais celle du plateau de Pitaevskii

[24–26]. Nous pourrions l’utiliser pour déterminer au niveau du maxon, à P=24 bars, le

paramètre g₃ représentant la force du couplage entre les excitations à une particule et les

excitations à deux particules.

Enfin, nous avons comparé la largeur physique des excitations et les valeurs du

paramètres du roton à T=0 et 1 K, et trouvé une largeur plus grande et une énergie

plus petite à T=1 K qu’à T=0.1 K, en accord avec des mesures précédentes et expliqué

théoriquement par l’interaction à quatre rotons. Nous avons également déterminé la

largeur des excitations à T=1 K et trouvé un pic au niveau du phonon, déjà observé par

des mesures d’écho de spin, mais de manière pas très bien définie [94]. Ce pic provient

sans doute de l’interaction à trois phonons. De nouvelles mesures d’écho de spin, où la

résolution inférieure au µeV permet de déterminer directement la largeur physique du

phonon, seraient nécessaires. On pourrait également faire une description théorique de

l’interaction à trois phonons à partir du travail de Fåk et al [82].

Dynamique de l’

³

He liquide normal

8.1 Introduction

Dans le dernier chapitre de cette thèse, nous allons nous intéresser au deuxième isotope

stable de l’hélium, l’3He. Les atomes d’3He sont des fermions et n’obéissent donc pas à

la même statistique quantique que les atomes d’4He qui sont des bosons. Ils présentent

donc des comportements différents. Pourtant, en 1981, Pines fait état que le mode

phonon-roton de l’4He liquide et le zéro-son de l’3He liquide ont pour origine commune

les interactions fortes qui dominent devant la statistique quantique [17]. Dans l’analyse

de nos résultats expérimentaux, nous nous appuierons sur un développement récent

effectué par Krotscheck et ses collaborateurs [3] qui applique aux fermions, la théorie

dynamique à N-corps. Cette théorie fournit en effet des prédictions précises du facteur

de structure dynamique de l’3He appelant des nouvelles données de neutrons de précision

et de résolution similaires. Des résultats remarquables ont été obtenus dans l’3He

bidimensionnel juste avant cette thèse : un mode similaire au phonon-maxon-roton de

l’4He superfluide a été observé pour la première fois dans un liquide de Fermi, dans

les expériences de diffusion inélastique de neutrons [6]. L’objectif ici est de refaire la

même étude dans l’3He liquide massif. Pour cela, de nouvelles données ont été acquises

durant cette thèse. Après avoir décrit la procédure expérimentale et le traitement, nous

présenterons les résultats préliminaires et comparerons ces derniers à la théorie.

8.2 Description de l’expérience

De nouvelles mesures du facteur de structure dynamique de l’3He liquide massif ont été

effectuées avec le spectromètre temps de vol IN5 à une pression P=0.83 bars. Comme

pour nos mesures dans l’4He superfluide, une longueur d’onde incidente λ = 4.8 Å

(E_i = 3.55 meV) a été choisie, car la partie la plus significative du spectre des excitations

est accessible avec cette longueur d’onde qui fournit des données de grande qualité, avec

une résolution en énergie, au voisinage de l’énergie de transfert élastique, de 0.086 meV.

Pour déterminer des régions de plus haute énergie, aussi prédites par la théorie, des

mesures complémentaires ont été effectuées à une plus petite longueur d’onde,λ= 3 Å

(E_i = 9 meV), avec une résolution de 0.35 meV. Ces expériences sont difficiles à cause

de la grande section efficace d’absorption de l’3He [voir le Tableau 2.1]. Pour obtenir

une statistique suffisante, environ 24 heures de mesure ont été nécessaires pour chaque

longueur d’onde, pour la cellule vide et pour la cellule avec l’hélium. Les mesures étaient

divisées en des enregistrements courts pour éviter les erreurs systématiques provenant de

changements expérimentaux ou des conditions instrumentales. A cause des contraintes

thermiques associées aux très basses températures, et aux contraintes neutroniques dues à

l’absorption, il a fallu construire une cellule3He sophistiquée. Cette dernière a été montée

dans un réfrigérateur à dilution. Le montage a permis de faire des mesures à très basses

températures, en dessous de T=100 mK, une température bien inférieure à la température

de Fermi d’environ 3.3 K et aussi plus petite que l’énergie des excitations, le zéro-son

et le paramagnon. Les résultats peuvent alors être considérés comme correspondre aux

propriétés à température nulle de l’3He liquide normal. Nous allons décrire ci-dessous la

cellule puis son montage dans la dilution et l’installation sur l’instrument IN5.