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Les ultra-basses températures, comme les très fortes pressions ou les champs magnétiques intenses, font partie de ces conditions extrêmes qui font le bonheur des physiciens. En effet, les recherches à la pointe de notre savoir scientifique et technique sont toujours très riches en phénomènes nouveaux. Au cours du siècle qui vient de s’écouler, 25 Prix Nobel sont venus récompenser des découvertes majeures dans le domaine des très basses températures ! Des états nouveaux de la matière, comme la superfluidité ou la supraconductivité, ont été découverts dans des systèmes refroidis à des températures qui n’existent nulle part dans l’Univers ailleurs que dans les laboratoires. Ces phénomènes ne doivent cependant pas être considérés comme une simple curiosité. Ils sont souvent présents dans d’autres systèmes, mais leur existence aurait pu passer inaperçue : la superfluidité des étoiles à neutrons se manifeste à des températures incroyablement élevées, mais dans des conditions de densité qui défient l’imagination. On y observe pourtant le même phénomène découvert dans les fluides quantiques, qui peuvent être étudiés en détail au laboratoire. D’autre part, les nouvelles idées qui en découlent sont susceptibles de conduire à des applications dont le sort de l’humanité pourrait dépendre, notamment en ce qui concerne la production, le transport et le stockage de l’énergie, l’instrumentation médicale, les communications, la défense, parmi d’autres.

 

Le grand public est souvent fasciné par le Zéro Absolu, cette température minimum prévue par la théorie, et dont on peut s’approcher en principe autant qu’on le souhaite, sans toutefois pouvoir l’atteindre. Quelle est la température la plus basse que l’on puisse atteindre ? Il existe de nombreux « records de froid », car les différents éléments de la matière ne se laissent pas refroidir aussi facilement. Les vibrations atomiques, les électrons des métaux, les « spins » (aimants élémentaires associés aux particules), chaque système finit par se heurter à une limite pratique de température, que nous nous efforçons de repousser. Les études réalisées par notre équipe sur l’hélium-trois, un fluide quantique d’un grand intérêt scientifique, ont lieu de manière courante jusqu’à des températures record, inférieures à 100 microkelvins (un dix-millième de degré au-dessus du Zéro Absolu). Les spins nucléaires du cuivre, dont la « désaimantation adiabatique » permet d’atteindre ces températures, se trouvent, eux,  plus froids de plusieurs ordres de grandeur : nanokelvins, picokelvins… !

 

La maîtrise de la température donne au physicien un outil privilégié. Il s’en sert pour découvrir les secrets de la matière, en la soumettant à des températures variant sur une vaste gamme, et en observant ses « réactions » : variation de l’énergie interne, de l’aimantation électronique ou nucléaire, de la distance entre atomes et de leur organisation spatiale dans les solides et les liquides, par exemple. Ces observations, organisées et structurés dans le cadre de théories dans un processus régi par la « vérification scientifique », conduisent à la compréhension des lois fondamentales de l’Univers.

 

Il convient de remarquer qu’aux basses températures les phénomènes se présentent souvent d’une manière plus simple, plus limpide, et que les études à froid constituent souvent un passage obligé pour comprendre des phénomènes complexes, et développer des applications à des températures plus clémentes.

 

Les très basses températures présentent bien d’autres intérêts, notamment au niveau de la réalisation d’instruments d’une très grande sensibilité. Au voisinage du Zéro absolu, le moindre apport d’énergie cause une élévation de température proportionnellement importante. Cela a ouvert la voie à la réalisation de détecteurs de particules cosmiques, au service des Astrophysiciens, notamment pour traquer la Matière Noire et l’Energie Noire, dont on pense qu’elles constituent la plus grande partie de l’Univers. Citons également la réduction du bruit électronique aux basses températures, qui permet d’affiner notre capacité de détection de signaux électriques, ou encore les applications des supraconducteurs. La conduction de courant sans dissipation permet de générer de forts champs magnétiques utilisés en imagerie médicale ou dans les accélérateurs de particules, et dont on espère voir rapidement l’application aux réseaux électriques de puissance. Des dispositifs « cryogéniques » (technique du froid !), comme les magnétomètres SQUID, ou les jonctions Josephson, ont radicalement changé les méthodes de la mesure de précision et de la métrologie, reléguant au Musée certains bon vieux « étalons » de nos Unités fondamentales.

 

Ouverte des thématiques fondamentales aux applications industrielles, la recherche sur les très basses températures relève en permanence les défis intellectuels posés par la compréhension de notre Univers et par le besoin de développer de nouvelles techniques, où l’habileté manuelle joue aussi un rôle important. Les montages que nous vous  invitons à visiter dans ces pages Web, sont le plus souvent réalisés au Laboratoire. Ils ont des performances uniques. Cela constitue notre fierté, à une époque où les recherches sont souvent à très court terme et basées sur des appareillages commerciaux, que de perpétuer la tradition d’un véritable développement scientifique et technique original.

 

Le groupe ultra-basses températures fait partie de la plateforme Européenne MicroKelvin, dont la vocation est de développer les études physiques aux plus basses températures, l’une des frontières actuelles de la Science.

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