cryogénie

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Présentation

cryogénie, étude et utilisation des substances à de très basses températures. La limite supérieure des températures cryogéniques n’est pas fixée, mais l’Institut national de la standardisation et de la technologie des États-unis a suggeré que le terme cryogénie soit appliqué à toutes les températures en dessous de - 150 °C (123 K). Certains scientifiques prennent le point d’ébullition normal de l’oxygène (- 183 °C ou 90 K) comme limite supérieure (voir température). Les températures cryogéniques sont atteintes soit par évaporation rapide des liquides volatils, soit par expansion des gaz confinés initialement à des pressions de 150 à 200 atm. Voir chaleur ; thermodynamique.

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Développement

Les travaux de pionniers dans la physique des basses températures réalisés par les chimistes britanniques sir Humphry Davy et Michael Faraday, entre 1823 et 1845, préparèrent la voie pour le développement de la cryogénie. Davy et Faraday fabriquèrent des gaz en chauffant un mélange approprié à l’une des extrémités d’un tube scellé en forme d’un V inversé. L’autre extrémité était refroidie dans un mélange de sel et de glace.

La combinaison de la réduction de la température avec l’augmentation de la pression provoque la liquéfaction du gaz dégagé. Lorsque le tube est ouvert, le liquide s’évapore rapidement et se refroidit jusqu’à son point d’ébullition normal. En faisant s’évaporer le dioxyde de carbone solide mélangé à l’éther, à basse température, Faraday réussit finalement à atteindre une température d’environ 163 K (- 110 °C).

Si un gaz initialement gardé à une température moyenne est détendu à travers une valve, sa température augmente. Mais si sa température initiale est au-dessous de la température d’inversion, l’expansion causera une réduction de température comme résultat de ce qu’on appelle l’effet de Joule-Thomson. Les températures d’inversion de l’hydrogène et de l’hélium, deux gaz cryogéniques primaires, sont extrêmement basses et, pour atteindre une température de réduction par expansion, ces gaz doivent être d’abord refroidis en dessous de leurs températures de réduction, l’hydrogène par l’air liquide et l’hélium par l’hydrogène liquide. Cette méthode est généralement incapable de mener à la liquéfaction en une seule étape ; mais, en 1877, faisant cascader les effets, les physiciens Louis Paul Cailletet et Raoul Pierre Pictet parvinrent, chacun de leur côté, à produire des gouttelettes d’oxygène liquide. Le succès de ces expérimentateurs marque la fin de la théorie des gaz permanents et crée la possibilité de liquéfier tout gaz grâce à une compression modérée à des températures en dessous de la température critique.

En 1894, le physicien néerlandais Heike Kamerlingh Onnes mit au point la première installation d’air liquide en utilisant le principe des cascades. Pendant les quarante années qui suivirent, des chercheurs en France, Grande-Bretagne, Allemagne et Russie apportèrent de nombreuses améliorations au procédé. Sir James Dewar, chimiste britannique, liquéfia d’abord l’hydrogène, en 1898, et Kamerlingh Onnes l’hélium, le gaz le plus difficile à liquéfier, en 1908. Depuis lors, une attention accrue est accordée à l’étude des phénomènes à basses températures. Augmenter l’efficacité d’un moteur alternatif ou d’une turbine par l’utilisation d’un gaz refrigérant continue d’être un défi. Les travaux du physicien soviétique Piotr Leonidovitch Kapitsa et ceux du constructeur américain Samuel Collins ont été remarquables. Un liquéfacteur d’hélium d’après le modèle de Collins offrit l’opportunité à de nombreux laboratoires non spécialisées de mener des expériences au point d’ébullition normal de l’hélium, 4,2 K (- 268,9 °C).

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Démagnétisation adiabatique

L’évaporation de l’hélium liquide à des pressions réduites produit des températures avoisinant 0,7 K (- 272,45 °C). Depuis, de plus basses températures peuvent être atteintes par démagnétisation adiabatique. Ce procédé exige qu’un champ magnétique soit établi autour d’une substance paramagnétique (voir magnétisme) pendant que la substance est refroidie dans l’hélium liquide. Le champ aligne les aimants ioniques et, plus tard, quand le champ est retiré, les aimants ioniques reprennent leurs alignements au hasard, en réduisant l’énergie thermique de l’échantillon. Par conséquent, la température tombe à des niveaux avoisinant 0,002 K. De la même manière, l’alignement des noyaux atomiques suivi du retrait du champ magnétique produit des températures proches de 0,00001 K.

Les vases de Dewar furent utiles pour conserver les liquides à des températures cryogéniques. De tels vases sont consistués de deux bouteilles, l’une dans l’autre, séparées par un espace vide d’air. La surface extérieure de la bouteille interne et la surface intérieure de la bouteille externe sont argentées pour éviter à la chaleur radiante de passer par le vide (voir Thermos). Des substances plus froides que l’air liquide ne peuvent pas être manipulées dans des vases de Dewar ouverts car l’air se condenserait dans l’échantillon ou formerait un bouchon solide empêchant l’échappement des vapeurs libérées ; les vapeurs accumulées pourraient ainsi provoquer l’éclatement du conteneur.

La mesure des températures dans le champ cryogénique présente des difficultés. Un des procédés consiste à mesurer la pression d’une quantité d’hydrogène ou d’hélium connue, mais ce procédé ne fonctionne pas aux températures les plus basses. La pression de la vapeur de l’hélium-4 (de masse atomique 4) ou de l’hélium-3 (masse atomique 3) vient compléter la méthode précédente. Les méthodes de détermination de la résistance électrique des métaux ou des semiconducteurs, ou de leurs propriétés magnétiques, élargissent encore le champ.

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Changement des propriétés

Si l’on considère leur comportement en conditions normales, on remarque que beaucoup de substances se comportent de façon étrange à des températures cryogéniques. Le mercure se solidifie et la gomme devient aussi cassante que le verre. Les chaleurs spécifiques des gaz et des solides diminuent de manière à confirmer les prédictions de la théorie quantique. La résistance électrique de plusieurs métaux, et des métalloïdes baisse brutalement vers zéro à des températures de quelques Kelvins. Si un courant électrique est introduit dans un anneau de métal qui a été refroidi à l’état de supraconductivité, il continuera à circuler à travers l’anneau et pourra être détecté des heures plus tard. La capacité d’une substance supraconductrice à retenir le courant a conduit aux modules expérimentaux de mémoire d’ordinateur qui fonctionnent à basses températures. Toutefois, les ordinateurs hyperrefroidis ne se sont pas encore révélés pratiques, même avec la découverte des matériaux démontrant de la supraconductivité à des températures quelque peu supérieures à celle de l’hélium liquide.

Le comportement de l’hélium-4 à basses températures est remarquable pour deux raisons. Il reste liquide même après le refroidissement le plus extrême. Pour solidifier l’hélium-4, il faut le soumettre à une pression excédant 25 atm. Bien plus, l’hélium-4 liquide passe à un état superfluide à des températures inférieures à 2,18 K (- 270,97 °C). Dans cet état, sa viscosité semble être près de zéro. Il forme une couche sur la surface d’un conteneur, à l’intérieur de laquelle il coule sans résistance. La théorie ne permet pas d’expliquer totalement ce comportement. La découverte de la superfluidité de l’hélium-3 en 1972 a valu le prix Nobel à David Mac Lee, Robert C. Richardson et Douglas D. Osherhoff.