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Etudes aux plus basses températures

Etudes aux plus basses températures

Le contrôle et la mesure de la température sont donc des paramètres essentiels de la physique expérimentale. Lorsque l’on refoidit au-dessous de la centaine puis de la dizaine de Kelvin environ, des phénomènes quantiques surprenants apparaissent : en premier lieu la supraconductivité, qui fait l’objet de beaucoup d’études et de réalisations technologiques.

La "course aux basses températures" qui démarra il ya plus de cent ans, visait à la fois à trouver des solutions technologiques à la réfrigération (pour la conservation), et à répondre à des questions fondamentales comme de savoir si certaines substances restent gazeuses ou liquides aux plus basses températures. La réponse fut que seul l’Hélium (He) reste liquide sous sa pression de vapeur saturante (pression d’équilibre liquide-gaz) au-dessous de 10 K. La raison en est que les atomes d’Hélium sont très influencés par leur caractère quantique : en effet, ce que l’on nomme leur énergie de point zéro (l’énergie cinétique correspondant à leur caractère délocalisé, d’origine quantique) est supérieure à l’énergie d’interaction entre atomes (forces de van der Waals) dans la phase liquide. Cela fait de l’Hélium un liquide quantique. Sous des pressions de plus de trente atmosphères, on parvient à obtenir de l’Hélium solide, un solide quantique.

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Le groupe Ultra-basses températures s’intéresse aux propriétés fondamentales de la matière bien en-dessous du Kelvin. Au-delà des aspects technologiques à la base de cette physique expérimentale, Les principales thématiques de recherche portent sur des systèmes physiques que l’on pourrait nommer des systèmes modèles pour la physique : des systèmes macroscopiques complexes, mais dont la pureté ou la "simplicité théorique" nous permettent de mieux comprendre la physique à la base de systèmes beaucoup plus difficile à étudier directement. En particulier, l’étude aux ultra-basses températures de l’Hélium comme liquide/solide quantique, idéalement pur (car tous les autres corps sont "gelés"), est au coeur de l’activité du groupe, avec également une ouverture vers de nouvelles thématiques très actuelles comme la micro et nano mécanique "ultra-froide".

L’Hélium possède deux isotopes stables, de propriétés quantiques très différentes : l’4He le plus courant, qui n’a pas d’aimantation nucléaire (on parle de spin nucléaire I=0), qui se comporte comme un Boson, et l’3He, de spin nucléaire I=1/2 (magnétique), qui est un Fermion. Tous deux possèdent une transition de phase vers un état superfluide (analogue à la supraconductivité des électrons de conduction d’un métal), mais de nature très différente : l’4He vers 2 Kelvin, et l’3He vers 1 milliKelvin, soit un millième de degré au-dessus du zéro absolu ! Grâce à des techniques de pointe, le laboratoire a atteint des températures de l’ordre de 100 µK, parmi les plus froides jamais atteintes pour de l’3He liquide !

Les propriétés quantiques toutes particulières de l’3He superfluide ont amené le groupe Ultra-basses températures du MCBT à proposer son utilisation comme matériau sensible pour la détection de particules cosmiques. En particulier, nous proposons la réalisation d’un détecteur, pour la détection directe de la Matière Noire, à base d’3He superfluide : c’est le projet ULTIMA.

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