2. Refroidissement par désaimantation adiabatique

C'est une technique bien connue des spécialistes de la cryogénie des très basses températures. Cela permet de refroidir des systèmes jusqu'à des températures voisines de 0 K absolu. Ce domaine de températures hyper faibles est en fait adapté aux limites supérieures des champs que notre technologie peut produire. Des limites plus élargies trouveront peut-être des domaines d'application des domaines de température plus "ambiants "? Rappelons le principe.

Le processus physique qui intervient a une origine purement quantique, car il fait intervenir les spins électroniques ou nucléaires. Considérons un ensemble de spins ½ (par exemple, des électrons de conduction ?), susceptible de paramagnétisme. Suivant la loi de population de BOLTZMANN, en présence du champ magnétique (ici B), la probabilité pour les spins d'être dans l'état "up" est :

(antiparallèle au champ)

(parallèle au champ) état "down"

T : température absolue.
K : constante de BOLTZMANN.
 : moment magnétique de spin.

Si le rapport B/T est "très grand" ( 2 ou 3), on voit que l'on peut peupler les spins de telle sorte qu'ils soient en grande majorité dans l'état de spin . La plupart des spins sont alignés et l'aimantation est presque saturée.

En fait la conjonction possible champ B fort et/ou température T faible abaisse l'entropie du système de spins (l'ordre est plus grand). Dans la physique d'aujourd'hui, on démarre en général avec un sel paramagnétique (voir dans cette note p. , sur le paramagnétisme) porté déjà à la température de l'hélium liquide et un champ magnétique intense (de l'ordre de K Gauss). Supposons que le sel soit, à un certain instant, isolé thermiquement et que l'on fasse baisser doucement le champ magnétique. Par l'agitation thermique, les spins électroniques vont se disperser pour détruire l'alignement correspondant au champ fort de départ. Mais, comme il existe encore un champ (on ne le coupe pas brusquement), les spins doivent travailler contre le champ encore existant ; ceci va se faire en empruntant de l'énergie à l'agitation thermique (phonons) et donc en faisant baisser la température.

C'est la désaimantation lente adiabatique qui entraîne ce phénomène. Pour baisser encore davantage la température mais en jouant sur les moments magnétiques nucléaires qui sont, en gros, 103 fois plus faibles que les moments électroniques. On peut ainsi atteindre le 10-6 K.

Sans donner trop de précisions pour l'instant, indiquons (pour le futur) quelques idées concernant la dépendance temporelle des phénomènes : le système de spins répond au champ magnétique parce qu'il y est "susceptible". C'est sa susceptibilité magnétique ( - complexe) qui fait qu'il y est sensible. Il ne répond d'ailleurs pas tout de suite ; il a un temps de réponse (notion phénoménologique à manipuler avec précaution dans les phénomènes quantiques, de l'ordre de 10-9s (?).

Ainsi, on définit une susceptibilité magnétique complexe () :

isotherme (basses fréquences).
isentropique (hautes fréquences).

On notera les analogies de cette formule avec celle qui donne la conductivité électrique, clef de l'interprétation de nombre de phénomènes électriques passés en revue au long de cette note.

Le refroidissement magnétique, dans les pratiques qui en sont faites, est une opération à un coup et non cyclique.

Terminons cette rapide présentation en rappelant que les électrons de conduction d'un métal présentent une susceptibilité paramagnétique, eux aussi, et que le calcul exact de la magnétisation associée, et de sa dépendance (ou non) en température doit tenir compte de contraintes quantiques dans la mer de FERMI, de la modification spatiale du mouvement des électrons, du diamagnétisme des coeurs ioniques, d'effets intra- (et inter- ?) bandes et des interactions électrons/électrons ... Ce sont, disons le en passant, ces interactions électrons/électrons longue distance sans lesquelles ne pourraient se produire, dans certaines conditions, des oscillations collectives du gaz d'électrons appelées plasmons (de volume).

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