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Cryostat à désaimantation nucléaire

La désaimantation adiabatique nucléaire est la technique qui permet d’atteindre les températures les plus froides au monde, de l’ordre de 100 µK pour de l’Hélium liquide (3He), et de l’ordre de 10 µK pour les métaux, en échantillons massifs. Le cryostat à désaimantation nucléaire de Grenoble est un exemple en son genre (photo ci-dessous), détenant le record de 100 µK pour l’3He conjointement avec l’équipe de Lancaster. On décrit brièvement le principe de ce système de réfrigération ci-dessous, les spécialistes trouveront plus de détails en cliquant ici.

DN1
La désaimantation nucléaire DN1

Un morceau de cuivre (des barreaux ou une poudre, suivant les dispositifs) est connecté par un interrupteur thermique à l’étage à dilution. Le cuivre possède un moment magnétique nucléaire (on parle de spin I=3/2), qui a basse température (10 milli-Kelvins) et fort champ magnétique (5 à 10 Tesla) s’oriente suivant le champ (il s’aimante, dessin ci-dessous).

Demagnetization

Si maintenant on abaisse le champ magnétique (lentement) en empêchant les échanges de chaleur du cuivre vers son environnement (en coupant l’interrupteur thermique), on réalise une désaimantation adiabatique ; l’ordre (l’entropie) est conservé, les moments magnétiques nucléaires restent alignés ce qui impose à la température de s’abaisser comme le champ magnétique, et le système refroidit. Les températures les plus froides atteintes pour un morceau de métal connecté à un étage à désaimantation nucléaire sont de l’ordre de 15 µK. Pour les obtenir, la gestion des fuites thermiques et la bonne conception de l’appareil sont cruciales. Aussi, la mesure des températures les plus froides au monde est également un défi expérimental.

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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