Cryogénie

La Cryogénie recouvre l’ensemble des techniques permettant de refroidir un échantillon (macroscopique) de matière bien en deçà de la température ambiante [1,2].

Pour atteindre des températures bien plus froides que 0°C (273,15 K), on a recours en premier lieu a des fluides cryogéniques (des fluides dont la température d’ébullition est bien inférieure à 270 K). Le fluide, mis en contact avec un corps à refroidir, le maintient à sa température d’ébullition : en s’évaporant, le liquide prend de la chaleur au milieu qui l’entoure. Cette quantité d’énergie nécessaire à la vaporisation du fluide s’appelle la chaleur latente. Le premier, et de loin le plus utilisé des fluides cryogéniques, est l’azote liquide (N2). Il bout à 77 K à pression atmosphérique, et a une chaleur latente de 160 kJ/l. Le second fluide cryogénique utilisé est l’Hélium (4He) liquide. Il bout à 4.2 K sous une atmosphère, avec une chaleur latente de 2.6 kJ/l. L’avantage du refroidissement par fluide cryogénique est qu’il est extrêmement simple à mettre en oeuvre, et ne comporte aucune pièce mécanique (hormis le container). En revanche, il faut constamment réapprovisionner l’expérience en fluide cryogénique, ce qui devient vite contraignant. C’est pourquoi on cherche également à développer des machines frigorifiques (cryostat à pulse-tube), pouvant fonctionner en continu sans fluide cryogénique, qui sont moins contraignantes mais d’emploi plus compliqué.

Pour refroidir en-dessous de 4 K, on utilise un récipient contenant de l’4He sur lequel on pompe à l’aide d’une pompe mécanique (primaire). En effet, la température d’ébullition du liquide est de 4.21 K sous une atmosphère (ou 1 bar), mais elle tombe à 1.25 K lorsque la pression n’est plus que d’un millième de sa valeur atmosphérique (1 millibar). La pression diminuant, le nombre d’atomes permettant le transfert de chaleur diminue également, ce qui résulte en une chute de la chaleur latente. Expérimentalement, on atteint ainsi une température limite pour ce système de réfrigération de l’ordre du Kelvin.

Refroidir en dessous du Kelvin nécessite des appareillages complexes, disponibles au laboratoire, que nous décrivons brièvement ci-dessous : le cryostat à dilution (base à 10 milli-Kelvin), et le cryostat à désaimantation adiabatique nucléaire (base à 100 micro-Kelvins).

Pour en savoir plus :

[1] F. Pobell, Matter and methods at low temperatures, Springer (1996)
[2] O.V. Lounasmaa, Experimental principles and methods below 1 K, Academic Press (1974)
[3] A. Abragam, Les principes du magnétisme nucléaire, Presses universitaire de France (1961) , C.P. Slichter, Principles of magnetic resonance, third and updated edition, Springer-Verlag (1992)

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