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Recherche

Le groupe Ultra-basses températures s’intéresse à des problèmes fondamentaux de la physique de la matière condensée. Ces thématiques s’orientent suivant plusieurs axes principaux, qui concernent l’étude de systèmes modèles aux plus basses températures, où les propriétés quantiques de la matière s’expriment. Evidemment, de tels travaux vont de pair avec des développements technologiques, fournissant les moyens nécessaires à de telles expériences, avec en particulier le cryostat DN1 atteignant le record de 100 µK.

Pour comprendre un phénomène physique, le physicien théoricien va utiliser le modèle théorique minimal qui "capture" l’effet considéré. Pour l’expérimentateur, les choses sont plus difficiles, car la plupart des systèmes qu’il étudie comportent une part non négligeable d’incontrôlable (impuretés, défauts, etc...), ce qui rend la description des résultats parfois difficile. Le cas des fluides et solides d’Hélium est en ce sens exceptionnel : aux températures où on les étudie, aucun corps n’est soluble dans l’Hélium (tous sont "gelés" sur les parois du container). L’Hélium est en ce sens le matériau le plus pur que le physicien expérimentateur puisse étudier. De plus, il est "relativement simple" pour le théoricien (les atomes sont inertes chimiquement, leur structure électronique et leur noyau nucléaire sont bien connus). Cela fait de l’Hélium, étudié en-dessous de 1 K, un véritable système modèle pour l’étude de particules en interaction dans des phases condensées, dont la description est par nature quantique.

Il existe deux isotopes stable de l’Hélium : l’4He et l’3He. Le premier possède quatre nucléons (deux protons et deux neutrons), dont l’appariement en spin (le moment cinétique) donne un spin nucléaire global I=0. Cela fait de l’4He un Boson (particlue de spin entier). En revanche, le second possède un spin nucléaire I=1/2 (combinaison de deux protons et un neutron), ce qui en fait un Fermion (spin demi-entier). Ces particules, dont on pourrait croire que l’une est simplement plus légère que l’autre, obéissent à des statistiques quantiques très différentes (de Bose-Einstein et de Fermi-dirac respectivement), ce qui leur confère des propriétés quantiques très différentes.

Le groupe Ultra-basses températures se concentre en particulier sur l’étude de l’3He, système modèle pour l’étude des Fermions en interaction. Le matériau massif (de l’3He placé dans une cellule expérimentale) permet l’étude des interactions entre Fermions dans un milieu tridimentionnel. On adsorbe aussi de l’Hélium sur des substrats de Graphite pour former des couches atomiquement planes, qui permettent d’étudier ces interactions en deux dimensions. L’3He est en quelque sorte un analogue neutre des électrons de conduction dans un métal, où l’interaction Coulombienne est remplacée par la force de van der Waals.
Un autre système modèle 2D pour les Fermions est obtenu en confinant des électrons à la surface d’un film d’Hélium. Ce système, déjà bien étudié par de nombreux groupes depuis plusieurs dizaines d’années (par exemple, en Europe, par le groupe de Konstanz, le groupe de Saclay, le groupe de Londres), bénéficie d’un regain d’intérêt grâce aux techniques de microfabrication, qui permettent aujourd’hui de structurer ces films d’Hélium, et de réaliser sur mesure des systèmes modèles électroniques novateurs. Ces recherches sont menés en collaboration avec l’équipe de MJ. Lea, au Royal Holloway (Londres).

L’intérêt de ces systèmes modèles dépasse même le sujet de la matière condensée. En effet, l’3He devient superfluide (état analogue à celui des électrons supraconducteurs d’un métal) vers 1 mK, et il se trouve que les symétries qui décrivent cet état de la matière sont similaires à celle que l’on attribue à notre propre Univers : la transition de phase de l’3He normal vers l’3He superfluide est en de nombreux points similaire à celle qu’aurait connu notre Univers lors de son refroidissement du Big-Bang à nos jours. C’est cette simillitude qui a donné lieu aux expériences de Cosmologie au laboratoire , et au groupe de travail COSLAB (voir nos liens).

Une nouvelle thématique de recherche a émergée au laboratoire en quelques années. Il est apparu aux membres du groupe que les propriétés exceptionnelles de l’3He superfluide, aux températures de l’ordre de 100 µK, pouvait être utilisée pour fabriquer des bolomètres permettant la détection de particules cosmiques. En particulier, ces bolomètres peuvent être employés pour la détection directe de ce que l’on nomme la Matière Noire, matière présente en grande quantité, dans tout l’Univers, mais dont la nature même nous échappe encore. C’est le projet ULTIMA, Ultra Low Temperature Instrumentation for Measurements in Astrophysics .

Ces recherches vont de pair avec des développements technologiques de pointe. Les techniques cryogéniques sont en essor perpétuel, avec récemment le développement de cryostats à dilution "sec", c’est à dire sans fluide cryogénique (azote, Hélium), fonctionnant à l’aide d’une pré-réfrigération à tube à gaz pulsé. Aussi, précisément dans le cadre du développement de bolomètres ultra-sensibles à 100 µK, le groupe UBT a démarré une activité de "micromécanique froide". Cette activité s’étend à l’heure actuelle vers des dimensions toujours plus petites, avec la nano mécanique.

La micro et nano mécanique à basse température est un sujet de recherche en soi. En effet, un tel oscillateur mécanique est un véritable système modèle 1D, légèrement non-linéaire, qui permet tout à la fois des études de mécanique, de traitement du signal, et de viscosimétrie. Par ailleurs, la possibilité de refroidir un nano oscillateur mécanique à sa limite quantique excite un nombre de groupes toujours croissant de par le monde. Il s’agit alors de sonder les fondements même de la mécanique quantique, à l’aide d’un degré de liberté macroscopique quantique.

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