L'Attracteur     No. 14     Hiver 2003
LA REVUE DE PHYSIQUE
ISSN: 1205-8505

Désaimantation adiabatique


Ce procédé, le plus utilisé actuellement en ultra basses températures, utilise les propriétés magnétiques pour abaisser la température d’un échantillon.  Fondé sur les travaux de Curie, Debye, Weiss et Giauque, ce procédé s’appuie sur des concepts de mécanique quantique et de physique statistique.
Au zéro absolu, toutes les particules d’un corps occupent le niveau d’énergie le plus bas, appelé état fondamental (voir l’encadré de l’article Les origines de la cryogénie).  Les autres niveaux d’énergie plus élevés, dénommés ci-après « excités » demeurent tous inoccupés.  Théoriquement, une mesure de la température reviendrait à mesurer le taux d’occupation de ces niveaux « excités ».  La température baisse lorsque l’occupation de ces niveaux diminue.
Sous le dixième de degré Kelvin, presque toute la matière connue (sauf l’hélium) se retrouve à l’état solide.  Afin d’abaisser la température, il faut trouver un procédé réfrigérant apte à diminuer les « populations » des derniers états « excités ».  Notez ici la difficulté.  Ces états « excités » qui restent occupés à faible température proviennent presque essentiellement d’effets collectifs (exemple : vibrations de réseau) sur lesquels aucun moyen de réfrigération n’a encore été découvert.  La seule possibilité réside dans les états reliés aux atomes et molécules composant le matériau.  Or pour la plupart d’entre eux, à 0,01 K tous les états « excités » sont déjà inoccupés.
Heureusement, dans plusieurs matériaux, il existe une interrelation entre le spin de l’électron et le moment magnétique de l’atome (et au niveau nucléaire entre le spin des nucléons et le moment magnétique du noyau).  Cela crée plusieurs niveaux d’énergie légèrement supérieurs à l’état fondamental.  À 0,01 K, ces niveaux d’énergie sont occupés presque également.  Si on applique un champ magnétique, on augmente alors l’écart d’énergie entre ces niveaux.
La réfrigération par désaimantation adiabatique (sans échange de chaleur) procède comme suit.  On débute par une application lente d’un champ magnétique sur un matériau magnétique en contact thermique avec un système de réfrigération de soutien.  Ainsi, on maintient le système à température constante.  L’augmentation du champ magnétique augmente l’énergie des états excités.  Ainsi, le taux d’occupation de ces niveaux diminue d’autant plus vite que le niveau d’énergie est élevé (voir figure ci-contre).  Puis, on retire le contact thermique avec le réfrigérateur de soutien. Enfin, on coupe rapidement le champ magnétique, c’est la désaimantation adiabatique. Les niveaux d’énergie du système magnétique reprennent alors leur valeur de départ, mais avec une distribution d’occupation fort différente et représentative d’une température beaucoup plus faible.
L’axe vertical représente l’énergie où se situe chaque état. L’application d’un champ magnétique augmente l’écart d’énergie entre chaque état. En procédant lentement et en gardant le contact thermique avec un réfrigérateur de soutien, la population des états « excités » diminue et la population de l’état d’énergie la plus basse augmente. Plus le champ magnétique sera intense, plus grands seront les écarts d’énergie. Après avoir enlevé le contact thermique et coupé le champ magnétique, la nouvelle distribution d’occupation des différents états correspond à une température beaucoup plus faible que la température initiale.
En fait, ce procédé refroidit le sous-système magnétique. Par thermalisation, tout le matériel, vient à se refroidir, réchauffant ainsi le sous-système magnétique, d’où l’avantage d’avoir pour ce sous-système la plus grande chaleur spécifique possible, par un choix judicieux du matériau. Avec la désaimantation électronique adiabatique, il est possible d’atteindre des températures avoisinant le micro Kelvin. Vous aurez probablement deviné qu’avec la désaimantation nucléaire adiabatique, les niveaux d’énergie mis en cause sont nettement inférieurs à ceux mettant en cause les électrons et permettent d’atteindre des températures encore plus basses avoisinant les nano Kelvin avec des champs magnétiques atteignant les dix teslas (200 000 fois le champ magnétique terrestre).
Gilbert Vachon et LCD f

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Bibliographie
Le spin est un nombre quantique associé à toute particule, introduit pour rendre compte de ses propriétés en présence d’un champ magnétique.
Le moment magnétique d’un atome ou du noyau représente sa sensibilité face à un champ magnétique.
La chaleur spécifique d’un matériau correspond à la quantité de chaleur nécessaire pour augmenter la température d’un gramme de ce matériau d’un degré Celsius.