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Cryostat à dilution

Un cryostat à dilution est constitué d’un pré-refroidissement par bain d’azote et/ou d’Hélium, dans lequel se trouve une enceinte sous vide (pour l’isolation thermique). L’ensemble, vu de l’extérieur, ressemble un peu à une énorme canne thermos (photo ci-dessous). Le principe de fonctionnement d’un tel cryostat, auquel il doit son nom, est basé sur une propriété des mélanges 3He / 4He liquides. L’3He et l’4He sont les deux isotopes stables de l’Hélium, l’un comportant 3 nucléons (2 protons et un neutron dans le noyau nucléaire) et l’autre 4 (respectivement).

Lorsque l’on met de l’3He et de l’4He liquide dans un récipient, en premier lieu l’4He tombe au fond (il est le plus lourd, avec ses 4 nucléons), et l’3He flotte au-dessus. Ensuite, étant donné que les atomes constituant ces liquides sont en interaction forte les uns avec les autres, on peut se demander ce qui se passe à l’interface et si cet état de démixtion évolue. Du fait de la nature quantique de ces fluides, pour le plus léger (3He), les interactions sont plus faibles (et moins attractives) que pour le plus lourd (4He), car la densité est plus faible (en moyenne, les atomes se trouvent plus loin les uns des autres et se voient moins). De ce fait, les atomes d’4He restent dans la phase 4He, alors que les atomes d’3He ont tendance à venir dans cette même phase d’4He. Les atomes d’3He sont ce que l’on appelle des fermions, ce qui en mécanique quantique signifie qu’ils ont des propriétés statistiques particulières : Les atomes d’3He ne veulent pas être à plusieurs dans un même état quantique (c’est-à-dire au même endroit, avec les mêmes propriétés, c’est le principe d’exclusion de Pauli), ce qui impose une limite supérieure à la solubilité de l’3He dans l’4He (typiquement 6,5 % sous 1 atmosphère). Que ce passe-t-il maintenant si l’on force des atomes d’3He à sortir de la phase diluée, riche en 4He ? Alors d’autres atomes migreront depuis la phase 3He pur, au-travers de l’interface, pour prendre leur place. Et comme ces atomes sont passés d’une phase à une autre en se stabilisant, la différence d’énergie en résultant est prise à l’environnement, comme dans le cas de la chaleur latente d’évaporation d’un fluide (on parle ici d’entropie de mélange). Si l’on renvoie ces atomes d’3He dans leur phase d’origine, en fonctionnant en circuit fermé, on obtient (très schématiquement) le principe de fonctionnement d’un cryostat à dilution (dessin ci-dessous).

Dilution

Le cryostat photographié ci-dessous permet d’atteindre 5 milli-Kelvin, et a été conçu pour des expériences à l’ILL (Institut Laue-Langevin, diffraction neutronique). Les fluides cryogéniques sont dans la partie haute du cryostat, autour de la dilution on a seulement des écrans thermiques pour l’isolation. Une réserve de 35 litres d’hélium nous permet une autonomie de 4 jours environ.

Cryostat
Cryostat à dilution au laboratoire 

Pour atteindre des températures encore plus basses, typiquement sub-milli-Kelvin (moins d’un millième de degré au-dessus du zéro absolu), une technique radicalement différente est utilisée : il s’agit de la désaimantation adiabatique nucléaire.

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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