Le cryostat utilisé par les physiciens bâlois pour atteindre une température record de 220 micro-Kelvin. Le thermomètre spécial avec une barre d'échelle peut être vu au centre de l'image (rectangle doré). Crédit :Université de Bâle, Département de physique
Lorsque les matériaux sont refroidis à des températures extrêmement basses, leur comportement diffère souvent fortement de celui à température ambiante. Un exemple bien connu est la supraconductivité :en dessous d'une température critique, certains métaux et autres substances conduisent le courant électrique sans aucune perte. À des températures encore plus basses, des effets de physique quantique supplémentaires peuvent se produire, qui sont pertinents pour la recherche fondamentale ainsi que pour les applications dans les technologies quantiques.
Cependant, atteindre de telles températures - moins d'un millième de degré au-dessus du zéro absolu de 0 Kelvin, ou -273,15 degrés Celsius - est extrêmement difficile. Les physiciens du groupe de recherche du professeur Dominik Zumbühl de l'Université de Bâle, ainsi que des collègues du Centre de recherche technique VTT en Finlande et de l'Université de Lancaster en Angleterre, ont maintenant établi un nouveau record de basse température. Leurs résultats viennent d'être publiés dans Physical Review Research.
Refroidissement avec des champs magnétiques
"Le refroidissement très fort d'un matériau n'est pas le seul problème", explique Christian Scheller, chercheur principal au laboratoire de Zumbühl. "Il faut également mesurer de manière fiable ces températures extrêmement basses."
Dans leurs expériences, les chercheurs ont refroidi un minuscule circuit électrique en cuivre sur une puce de silicium en l'exposant d'abord à un champ magnétique puissant, puis en le refroidissant avec un réfrigérateur spécial appelé cryostat et en réduisant lentement le champ magnétique. De cette façon, les spins nucléaires des atomes de cuivre de la puce étaient initialement alignés comme de petits aimants et refroidis efficacement encore plus quand, à la fin, la décélération du champ magnétique a entraîné une diminution de leur énergie magnétique.
"Nous travaillons avec de telles techniques depuis une décennie maintenant, mais jusqu'à présent, les températures les plus basses qui pouvaient être atteintes de cette manière étaient limitées par les vibrations du réfrigérateur", explique Omid Sharifi Sedeh, qui a participé aux expériences en tant que doctorat étudiant.
Ces vibrations, qui résultent de la compression et de la raréfaction continues de l'hélium réfrigérant dans un cryostat dit "sec", chauffent considérablement la puce. Pour éviter cela, les chercheurs ont développé un nouveau porte-échantillon qui est câblé si fortement que la puce peut être refroidie à des températures très basses malgré les vibrations.
Thermomètre robuste
Pour mesurer avec précision ces températures, Zumbühl et ses collaborateurs ont amélioré un thermomètre spécial intégré au circuit. Le thermomètre est constitué d'îlots de cuivre reliés par des jonctions dites tunnel. Les électrons peuvent traverser ces jonctions plus ou moins facilement selon la température.
Les physiciens ont trouvé une méthode pour rendre le thermomètre plus robuste contre les défauts matériels et, en même temps, plus sensible à la température. Cela leur a permis, enfin, de mesurer une température de seulement 220 millionièmes de degré au-dessus du zéro absolu (220 micro Kelvin).
À l'avenir, les chercheurs bâlois veulent utiliser leur méthode pour abaisser encore la température d'un facteur dix et, à long terme, refroidir également les matériaux semi-conducteurs. Cela ouvrira la voie à des études sur de nouveaux effets quantiques et diverses applications, telles que l'optimisation des qubits dans les ordinateurs quantiques. La puce la plus froide du monde
