Qu'est-ce que la cryogénie ?

La cryogénie s’intéresse à l’étude des très basses températures : comment les produire, les maintenir et les utiliser dans des conditions spécifiques. Cette discipline a aujourd’hui ouvert de nouvelles voies de recherche et a permis le développement de technologies innovantes :

• l’étude de phénomènes physiques tels que la supraconductivité et la superfluidité,
• l’acquisition de données majeures en astrophysique pour la compréhension de notre Univers,
• le développement d’aimants supraconducteurs pour les grands instruments de physique des particules (grands accélérateurs, tokamak Iter, JT-60SA), IRM, RMN, et dans le domaine des lasers et des cibles (Laser Mégajoule),
• l’utilisation de la résonance magnétique nucléaire (RMN) pour l’étude structurale de la matière (pour la conception de nouveaux nanomatériaux par exemple), la biologie et la santé (imagerie médicale),
• la mise au point des moteurs utilisés en propulsion spatiale (moteurs des fusées Ariane).

Travailler à des températures extrêmement froides

La température est liée à l'agitation des molécules qui constituent un système physique. A l’état naturel, lorsque deux corps sont mis en contact, ils peuvent échanger de l'énergie (sous forme de chaleur), allant du système où l'agitation est la plus grande vers celui où l'agitation est la plus faible. Pour quantifier cette agitation, les chercheurs utilisent une grandeur appelée la température. L’unité de mesure internationale utilisée est le kelvin [2].
En physique, il existe un zéro absolu des températures. A cette température, théoriquement inatteignable, les corps ne possèdent plus d'agitation thermique et sont dans un état d’énergie minimale. Lorsque l'on refroidit un corps au-dessous de la centaine puis de la dizaine de kelvins environ, des phénomènes quantiques surprenants apparaissent. Pour voir apparaître, étudier, puis utiliser ces propriétés spécifiques de la matière, il faut donc refroidir. C’est un des objectifs de la cryogénie pour comprendre ces nouveaux mécanismes et ainsi permettre de grandes avancées.

Le cryostat,
outil indispensable pour accéder aux très basses températures

En cryogénie, la manipulation des très basses températures nécessite l’utilisation d’un outil : le cryostat. Il s’agit d’une « boîte » contenant différents instruments dont un système de refroidissement permettant la production et le maintien de très basses températures. Dans sa déclinaison la plus simple, il utilise un ou plusieurs réservoirs de liquides très froids qui, de manière générale, sont l’azote et l’hélium.
Depuis quelques années, de nouveaux systèmes, appelés cryoréfrigérateurs, et conçus pour refroidir jusqu’aux températures cryogéniques (en dessous de 120 K), sont mis au point pour remplacer les réservoirs. En effet, l’utilisation de ces réservoirs présente plusieurs inconvénients importants : une masse et un volume conséquents, un besoin de disponibilité des fluides cryogéniques, et par essence une autonomie limitée par la quantité de fluides stockée. Les cryoréfrigérateurs ne requièrent quant à eux qu’une alimentation électrique, et présentent dans leur déclinaison pour le spatial, par exemple, un fonctionnement fiable durant plusieurs années. Aujourd’hui, les systèmes cryogéniques sont également utilisés pour la fusion nucléaire ou la santé.

Des systèmes de refroidissement toujours plus performants

Pour des températures extrêmement froides, plusieurs systèmes de refroidissement doivent être associés en cascade pour couvrir l’intégralité de la gamme de températures. Aujourd’hui des chaînes cryogéniques permettant d’atteindre des températures de l’ordre de quelques millikelvins (-273,1°C) sont disponibles. Pour des systèmes dits « subkelvin », seules trois technologies émergent :

• le refroidissement par évaporation utilisant un isotope de l’hélium (l’hélium 3) ;
• le refroidissement magnétique (désaimantation adiabatique [3] ) ;
• la dilution (propriété de la séparation de phases des 2 isotopes de l’hélium).