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Développements technologiques

Développements technologiques

La physique étudiée aux ultra-basses températures va de pair avec le développement des technologies associées. C’est grâce à ses compétences, reconnues au niveau mondial, que le groupe a pu développer les thèmes de physique décrits brièvement ci-dessus. Et c’est pour toujours pousser plus avant la recherche dans ces disciplines que le groupe améliore ces compétences, ou développe de nouvelles techniques.

Conception d’un cryostat à dilution refroidi par un tube à gaz pulsé, une collaboration CNRS et l’Air Liquide
Actuellement l’Air Liquide dispose d’un « design » de réfrigérateur « Maxidil » (collaboration MCBT-AL) qui permet d’atteindre des températures de l’ordre de 10 mK. Il demeure néanmoins un problème assez handicapant, à savoir un temps trop long pour condenser le mélange 3He/4He, ce qui réduit les atouts commerciaux de ce réfrigérateur pour l’Air Liquide. Un réfrigérateur muni de son tube à gaz pulsé a été fourni par l’Air Liquide, et une thèse cofinancé par le CNRS et l’Air Liquide cherche à améliorer la machine.
Désaimantation "de puissance"
Pour le projet ULTIMA, il est nécessaire de refroidir d’assez grandes quantités d’3He à environ 100 µK. Pour ce faire, il faut développer, au MCBT, un cryostat à désaimantation adapté. La première étape de ce projet est d’obtenir des résultats déjà intéressants sur une quantité importante, mais encore réduite, de matière (de l’ordre de 30 grammes).

Thermométrie métrologique
Les mesures basses températures de qualité passent par l’établissement d’un standard de thermométrie. Le groupe ultra-basse température travaille depuis des années sur cette thématique. Les dernières avancées, la pluspart impliquant d’autres laboratoires, et des collaborations au niveau mondial, sont les suivantes :
Réalisation de l’échelle de température PLTS-2000  : Fabrication d’un thermomètre à courbe de fusion de l’3He de grande sensibilité, permettant l’étalonnage et l’évaluation de thermomètres secondaires. Comparaison des échelles sur plusieurs laboratoires de renom, dont le MCBT.
En effet, à l’heure actuelle le standard de thermométrie entre 1 K et 1 mK est la courbe de fusion de l’3He (points d’équilibres en P,T entre liquide et solide, aux alentours de 30 atmosphères). Cette courbe est caractéristique du matériau, elle est universelle. On l’utilise donc pour calibrer d’autres thermomètres, que l’on qualifiera de "secondaire".
Evaluation du dispositif SRD-1000  : Evaluation d’un dispositif à points fixes supraconducteurs, mesuré contre les échelles de températures locales (dans chaque laboratoire).
De même que la courbe de fusion de l’3He, toute transition bien définie dans un matériau pur peut être utilisée comme étalon de température. Par exemple, la transition superfluide de l’3He vers 1 mK pourrait également être prise comme référence internationale (elle est d’ailleurs souvent utilisée par commodité), mais elle n’est pas connue avec une précision aussi grande que la courbe de fusion. En revanche, on sait fabriquer de petits échantillons de matériau supraconducteurs très purs, dont la température de transition Tc est extrèmement bien défini. Ce sont ces points fixes, définis par le bureau des standards, qui peuvent ensuite servir à calibrer en plusieurs points d’autres thermomètres.
Le thermomètre à blocage de Coulomb : Développement de ce thermomètre nanofabriqué et primaire, en collaboration avec l’Université de Jyväskylä et la société Nanoway. Mesures à Grenoble contre nos standards locaux (le thermomètre à courbe de fusion).
Le thermomètre à blocage de Coulomb est constitué de petits ilôts métalliques (la centaine de nm de côté) reliés entre eux par des jonctions tunnel. Les électrons peuvent sauter d’un ilôt à l’autre, par effet tunnel, mais l’énergie (de Coulomb) qu’ils ressentent du fait de la charge électrique déjà présente sur les autres ilôts s’y oppose. Le bilan de ces deux processus est que pour un réseau de jonctions polarisé en tension, on a un courant qui est une fonction universelle de la température (une loi mathématique connue, qui ne dépend que de constantes fondamentales comme e et kB).
Thermométrie par fil vibrant dans l’3He : A l’heure actuelle, l’échelle de température internationale s’arrête à 0.9 mK environ (transition de phase détectée dans l’3He solide sur la courbe de fusion). Une voie possible pour l’extension de l’échelle de température sub-millikelvin est l’utilisation, comme référence, de la très faible viscosité de l’3He-B jusqu’aù plus basses températures. En effet, aux plus basses températures deux problèmes fondamentaux de thermométrie se posent : en premier lieu, la résistance de Kapitza tend à découpler thermiquement les solides et les liquides (l’Hélium) présent dans le cryostat. Ainsi, un thermomètre plongé dans de l’Hélium aux plus basses températures indiquera sa propre température, mais pas celle du fluide. Ensuite, il faut trouver une propriété qui dépend de la température (de façon "simple"), et qui soit mesurable. Par exemple un thermomètre qui se surchauffe lors de sa mesure est à proscrire.
La viscosité de l’3He aux plus basses températures (vers 100 µK) remplit ces critères. Elle est directement reliée à la température du fluide, il n’y a donc pas de problème de découplage thermique. Sa valeur non nulle se décrit par le mécanisme de réflexion d’Andreev : des quasi-particules du fluide (des excitations thermiques) tapent sur le fil pour en repartir sous la forme de quasi-trous, leur "contraire" (au sens du mouvement). La difficulté reste bien sûr de mesurer cette très faible viscosité, et d’en tirer une échelle de température sur une gamme assez étendue [16].

ViW

Pour ces mesures, on utilise des fils vibrants très fins (shéma ci-contre). Un morceau de fil supraconducteur multi-brins est mis en forme pour donner une boucle, tenue par des points de colle (Stycast). De tous les brins, un seul est conservé (diamètre 4.5 µm). Plongé dans un champ magnétique statique (ici vertical), lorsqu’un courant oscillant parcours le fil, une force de Lorentz oscillante agite le fil d’avant en arrière. A la résonance mécanique de la boucle, le fil bouge de façon substantielle et une tension peut être mesurée à ses bornes, du fait du flux magnétique coupé par le mouvement.
Un tel objet possède à basse température un amortissement intrinsèque qui confère à la résonance mécanique une largeur typique de 100 mHz (pour une résonance à environ 500 Hz).

Principe d’un fil vibrant

Lorsque l’oscillateur est immergé dans un fluide, l’amortissement (donc la largeur de la raie de résonance) augmente du fait de la viscosité du milieu. Ces oscillateurs, bien que d’un facteur de qualité modeste (f0/Df environ 5 000 dans le vide), sont pourtant les meilleurs dont nous disposons pour le moment pour ce type de mesures. C’est d’ailleurs ce qui limite notre thermométrie dans l’3He à environ 100 µK. Pour remédier à ce problème, notre groupe a proposé d’utiliser d’autres oscillateurs. C’est ce que nous expliquons ci-dessous.

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