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Plus froid que l'hélium liquide
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Plus froid

Que l'hélium liquide

Pour atteindre des températures plus basses encore que 1 K, d’autres techniques plus astucieuses sont employées en laboratoire. On peut actuellement refroidir la matière à des températures de l’ordre de quelques microkelvins, soit à des millionièmes de degré du zéro absolu.

Manipulation d’un cryostat à dilution, CNRS Photothèque Laurence MEDARDLa technique la plus utilisée est le cryostat (ou « frigo ») à dilution. Son principe repose sur la différence des propriétés quantiques des deux isotopes de l’hélium, l’hélium 4 et l’hélium 3. Ce sont deux atomes avec des électrons identiques, mais leurs noyaux sont un peu différents (plus léger pour l’hélium 3). Lorsque ces deux familles d’hélium sont liquides et mélangées, le mélange se divise en deux : une partie composée seulement d’hélium 3, et une partie composée majoritairement d’hélium 4 et d’un peu d’hélium 3 dilué. À très basse température, l’hélium 4 devient superfluide, mais pas l’hélium 3. En devenant superfluide, l’hélium 4 devient en quelque sorte « ordonné » et ne présente plus d’entropie. Du point de vue de l’hélium 3, on a donc un mélange avec d’un côté du liquide d’hélium 3 pur, et de l’autre quelques particules d’hélium 3 perdues dans du superfluide, un peu comme si elles étaient libres dans l’air. Cette situation est analogue à une tasse de café liquide avec un peu de vapeur de café au-dessus. Il suffit alors de « souffler » sur la tasse pour la refroidir ; en chassant les particules de vapeur, on force le liquide à s’évaporer de nouveau, ce qui le refroidit. Dans un cryostat à dilution, on pompe donc sur les particules du pseudo-gaz d’hélium 3, ce qui refroidit le liquide d’hélium 3. Cela permet de descendre à des températures de quelques millikelvins (0,001 degré au-dessus du zéro absolu).

D’autres méthodes permettent de refroidir encore ce mélange ; par exemple la désaimantation adiabatique.

Des progrès récents ont également permis de concevoir des réfrigérateurs qui peuvent refroidir la matière presqu’aussi bien que les liquides cryogéniques, et qui ne nécessitent ni azote liquide, ni hélium liquide. Ces systèmes fonctionnent en cycle fermé, un peu comme un frigidaire, et utilisent des processus thermodynamiques évolués : détentes de Joule-Thomson, cycles Stirling ou Gifford-McMahon, tubes pulsés... Dans tous ces systèmes, un travail mécanique permet de pomper de la chaleur en dehors de l’objet, ce qui le refroidit.

 

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