UFR PhITEMPhysique, Ingénierie, Terre, Environnement, Mécanique

Contexte

En 2022, une plateforme dédiée à l’enseignement des techniques de cryogénie a été inaugurée, pour les étudiants de niveau Master et Doctorat. Cette plateforme permet de proposer une formation expérimentale mettant en œuvre des expériences fonctionnant à des températures autour de 4 Kelvin, ce qui est très rare dans le paysage universitaire national.

En effet, s’il est relativement simple de travailler jusqu'à des températures de 77 Kelvin (avec de l'Azote liquide disponible industriellement), l'accès à des installations de production, stockage, distribution et récupération d'Hélium liquide est beaucoup plus complexe et onéreux. Cette plateforme tire pleinement parti des infrastructures disponibles à l'Institut Néel. Compte-tenu du développement de la cryogénie dans l'Industrie et la Recherche, les compétences acquises par les étudiants sont un atout significatif pour leur future carrière professionnelle.

L’implantation de cette plateforme au sein d'un Laboratoire de Physique doté de Pôles et de Services techniques performants, permet aussi aux étudiants :

• d’effectuer des expériences en Physique de la matière condensée, proches des thématiques de recherche actuelles.
• d'avoir accès à des dispositifs expérimentaux de pointe ainsi qu'à une instrumentation dédiée, bénéficiant des innovations technologiques développées dans le laboratoire.
• d’interagir avec des chercheurs et de s'immerger dans le milieu de la recherche expérimentale.

Tous ces points contribuent à la maturation de leur projet professionnel.

A partir de la rentrée 2024, les étudiants qui le souhaitent pourront avoir accès aux instruments de mesure de la plateforme en amont des séances de Travaux Pratiques. Ils pourront ainsi se familiariser et se perfectionner de façon autonome à la mesure de faibles signaux.

Cette plateforme de CryoPhysique a pu voir le jour grâce à un effort logistique et financier significatif de l'Institut Néel, mais aussi grâce au soutien financier de l’UFR PhITEM et de l’alliance LANEF. Aujourd'hui, plusieurs expériences sont proposées.

Objectifs pédagogiques

Les expériences proposées dans cette plateforme CryoPhysique sont conçues pour des durées de 8 à 20 heures de manipulation, étalées sur plusieurs séances. Les étudiants conçoivent leur expérience, la dimensionnent, la montent, la câblent, l'instrumentent, puis la refroidissent au moyen des techniques cryogéniques adaptées, avant de réaliser des mesures et d'exploiter les résultats physiques.

L'approche pédagogique consiste à responsabiliser l’étudiant en lui faisant accomplir des tâches bien identifiées, tout en lui déléguant la prise de décision dans plusieurs choix expérimentaux. La durée des séances et la complexité des expériences permettent une démarche pédagogique de type 'essai-erreur'.

Expériences de Travaux Pratiques proposées (2024)

Effet Josephson :

On fabrique une jonction Josephson de type Supra – Isolant – Supra : les deux parties supraconductrices sont en Niobium (Tc ≈ 9 K) et l’isolant est obtenu par oxydation naturelle de celui-ci. Le dispositif expérimental est inséré dans un réservoir d’Hélium liquide (4,2 K) et permet d’ajuster finement le contact entre les pièces supraconductrices. On mesure la caractéristique courant-tension de la jonction et la dépendance de celle-ci à un champ magnétique et à un champ radiofréquence (effet Squid, marches de Shapiro).

Supraconductivité de l’Indium

On prépare et on connecte un échantillon d’Indium pur (fil de ≈ 50 cm de long et ≈ 0,5 mm de diamètre). Cet échantillon est immergé dans un bain d'hélium pompé, permettant d'atteindre la température critique de l'indium (Tc ≈ 3,4 K). Le champ critique thermodynamique de l'indium est alors obtenu en mesurant le courant critique du fil, au-dessus duquel la supraconductivité est détruite. On en déduit le diagramme de phase champ – température de l’Indium.

Mesure de la chaleur spécifique et de la chaleur latente de l'Hélium

On dimensionne et prépare un tube capillaire en cupronickel, muni de plusieurs thermomètres et d’un chauffage. Ce système est placé dans un calorimètre et on impose une circulation d’Hélium liquide sous pression contrôlée dans le capillaire. La résistance permet de chauffer et éventuellement de vaporiser l’Hélium. Le débit ainsi que les températures mesurées en amont et en aval, permettent de déterminer la chaleur spécifique et la chaleur latente de l'Hélium autour de 4 K.

Mesure de la vitesse du second son dans l'Hélium superfluide

On met en évidence le mode ondulatoire de propagation de la chaleur dans la phase superfluide de l'hélium (à T ≤ 2,17 K). Pour cela, on construit un montage où la distance entre un élément chauffant et un thermomètre sensible, peut être variée dans un bain d'Hélium pompé. Les mesures sont réalisées soit dans le domaine temporel (technique de pulse) soit dans le domaine fréquentiel (technique de cavité résonnante). Dans ces deux cas, on en déduit la vitesse de propagation de l'onde de chaleur en fonction de la température.

Caractérisation de matrices de détecteurs supraconducteurs (Kinetic Inductance Detector)

On étudie les propriétés de résonateurs supraconducteurs à base de Niobium. Ces résonateurs ont des facteurs de qualité qui atteignent 106, grâce à l'état supraconducteur. Les matrices de détecteurs sont montées sur une canne de mesure permettant de varier la température. Un analyseur de réseau vectoriel est utilisé pour déterminer l'évolution de la fréquence de résonance en fonction de la température et de faire le lien avec le gap supraconducteur et la température critique du Niobium.

Mesure de l'adsorption d'un gaz sur un matériau poreux

On étudie l’adsorption d’un gaz (Argon) sur la surface d’un matériau poreux (Argent), à des températures cryogéniques. Les interactions entre adsorbant et adsorbat sont de nature électrostatique et donc faibles et réversibles (physisorption). Dans un premier temps on fabrique l'échantillon, puis on mesure la quantité de gaz adsorbée et la pression d’équilibre sur des isothermes. Ceci permet de déterminer les paramètres physiques du substrat et notamment sa surface spécifique.

Filières concernées

• Master Matière Quantique (UGA) / UE Insertion Professionnelle
• Master Physique (PHELMA) / Parcours Matériaux pour l’énergie
• Master Physique (PHELMA) / Parcours Energétique Nucléaire
• Elèves Ingénieurs Génie Energétique et Nucléaire (PHELMA)
• Master Physique (UGA) / Parcours Photonique et Semi-conducteurs
• Doctorants de L'Ecole Doctorale de Physique / 'Introduction to Experimental Cryophysics'