Bonjour à tous! Je mentionnais la dernière fois que le zéro absolu (-273,15°C), soit la température la plus basse possible dans l’univers, pouvait être approchée à quelques milliardièmes de degrés. Voyons comment, à partir de l’exemple simple d’un café que l’on refroidirait en soufflant dessus, il est possible de comprendre s’approcher à quelques millièmes de degrés de ce fameux zéro absolu (on verra pour les millionièmes et les milliardièmes de degrés plus tard).

Le zéro absolu, une limite qui ne peut pas être atteinte

Mieux vaut commencer en insistant sur ce point fondamental : le zéro absolu ne peut pas être atteint! (C’est pour cela que je parle toujours de s’approcher de cet ultime froid.) Pourquoi? Imaginez que vous soyez dans un laboratoire pour tenter l’expérience. Ce laboratoire est globalement à une température normale de l’ordre de 20°C (et oui, on ne travaille pas en manteau polaire, même dans les laboratoires de grand froid). Votre montage expérimental est dans cette pièce et en son sein se trouve l’échantillon que vous aimeriez refroidir au zéro absolu. Le seul moyen pour éviter qu’une partie de la chaleur de la salle aille réchauffer l’échantillon repose sur deux points :

  • mettre ce dernier dans une enceinte complètement opaque à tout rayonnement électromagnétique (donc à toute lumière, visible ou non), ce en quoi des métaux supraconducteurs (nous en parlerons plus en détails dans un futur proche) peuvent aider car ils protègent à la fois des champs électriques et magnétiques relativement faibles.
  • faire le vide complet de particules autour de lui (il est bien question ici d’un vide parfait) afin qu’aucune de ces particules ne puisse transmettre de la chaleur à l’échantillon.

Et là, gros problème : il est impossible de faire un vide parfait! Nous aurons beau faire de notre mieux, il restera toujours quelques particules pour transporter de la chaleur et c’est vraiment pour cela qu’il est impossible de refroidir quelque chose au zéro absolu!

Maintenant que tout est clair (enfin je l’espère) au sujet du zéro absolu, faisons une petite pause et allons nous chercher un café, un chocolat, un thé, ou encore une soupe (tout dépend de vos goûts). Gardez le à vos côtés, il va servir d’ici peu!

Entropie, désordre et café moins chaud

Prenez un morceau de glace et comparez-le à de l’eau liquide. Tout le monde peut facilement s’imaginer que l’eau liquide est plus désordonnée que la glace car les molécules d’eau peuvent s’y déplacer sans vraies contraintes. Cependant, on pourrait se demander ce qui nous permet de quantifier ce désordre, ce qui nous permet de dire en faisant un peu de mathématique qu’un système est plus désordonné qu’un autre. Il faut alors s’intéresser à l’entropie S. Cette quantité augmente avec le désordre du système (plus exactement avec le désordre en énergie du système, mais à l’exception du cas de l’hélium 3 liquide, cela a peu d’importance).

Une des applications les plus concrètes du concept d’entropie est la façon dont vous pouvez refroidir un liquide chaud (votre café, chocolat, soupe, ce que vous avez pris tout à l’heure) en soufflant dessus. En y réfléchissant un peu, c’est quand même assez bizarre de pouvoir refroidir quelque chose de brûlant en soufflant simplement dessus. Cette magie opère grâce à l’entropie! En effet, en regardant l’ image 1 , vous verrez que le liquide chaud s’évapore toujours un petit peu à sa surface et on a alors affaire à un équilibre entre la phase liquide (relativement désordonnée) et sa phase gazeuse (encore plus désordonnée) juste au-dessus.

Lorsque vous soufflez sur le liquide, vous chassez en fait le gaz qui le surplombe, l’équilibre entre liquide et gaz devant être rétabli, une partie des atomes du liquide passent dans la phase gazeuse, plus désordonnée que la phase liquide. Cependant, augmenter le désordre (et donc l’entropie) d’un système demande de l’énergie et c’est le liquide qui va donner cette énergie en perdant de la chaleur. Résultat : votre « café, chocolat, soupe, ce que vous voulez» refroidit!

Comment aller à quelques millièmes de degrés du zéro absolu!

Essayons de voir maintenant comment ce simple fait de refroidir une boisson chaude peut permettre de comprendre comment approcher le zéro absolu! Inspirons-nous une nouvelle fois de la chaine Youtube Veritasium avec la vidéo intitulée Quantum cooling to (near) absolute zero . On y parle de ce que l’on appelle un réfrigérateur à dilution, couramment employé dans tout laboratoire étudiant les propriétés de la matière sous un grand froid. Cet instrument de refroidissement fonctionne grâce à de l’hélium 3 et de l’hélium 4 liquides (tout simplement parce que ce sont les seuls éléments encore liquides aussi proches du zéro absolu). Voyons un peu de quoi il s’agit avant d’aller plus loin.



Tout le monde connaît l’hélium 4 comme étant le gaz qui permet de faire flotter des ballons dans les airs ou encore comme celui qui nous donne cette voix aiguë si bizarre lorsque nous le respirons! C’est aussi le deuxième élément le plus léger existant, après l’hydrogène. Pour comprendre la différence avec l’hélium 3, il faut regarder de plus près de quoi ces deux atomes d’hélium sont composés. L’ image 2 nous présente justement la «petite» différence entre les deux. Les deux atomes d’hélium possèdent tous les deux à la fois deux protons (chargés positivement) et deux électrons (chargés négativement). Cependant l’hélium 3 possède un neutron (sans charge) de moins que l’hélium 4. L’hélium 4 étant bien plus répandu que l’hélium 3, on dit que l’hélium 3 est un isotope de l’hélium 4. (Je me suis aussi permis d’indiquer un modèle bien plus réaliste de l’atome d’hélium, par souci de précision.)

Il reste une dernière chose à savoir avant de continuer : il existe une très faible force d’attraction entre les atomes appelée force de Van der Waals. L’atome d’hélium 4 est plus lourd que celui d’hélium 3 (car il possède un neutron en plus), ce qui fait qu’il va moins bouger que ce dernier. Ainsi, il sera plus facile pour un atome d’hélium 3 d’être attiré par un atome d’hélium 4, moins mobile, que par un de ses semblables. Nous allons voir que c’est essentiel dans le cadre d’un réfrigérateur à dilution.

Revenons maintenant au réfrigérateur à dilution. Le fonctionnement d’une telle machine est schématisé à l’ image 3 . Il faut noter que l’hélium 4 y est superfluide (ce qui est le cas à 2 degrés au-dessus du zéro absolu, soit -271°C), ce qui signifie entre autres ici qu’il ne va pas vraiment interférer avec l’hélium 3 liquide (il s’arrête complètement de bouillir par exemple).

Décrivons ce qui s’y passe point par point :

  1. l’hélium 3 et l’hélium 4 liquides sont dans une même enceinte. L’hélium 3 liquide, moins dense que l’hélium 4, flotte au dessus de ce dernier. Un atome d’hélium 3 étant plus facilement attiré par un atome d’hélium 4 que par un de ses semblables, quelques atomes d’hélium 3 se diluent dans l’hélium 4. On atteint une concentration d’équilibre (qui doit être maintenue) de 6.4% d’atomes d’hélium 3 dilués.
  2. l’hélium 3 dilué dans l’hélium 4 est légèrement chauffé dans une autre enceinte et s’évapore seul (l’hélium 4 superfluide ne réagit pas au chauffage car il ne bout même plus). La concentration d’hélium 3 diminuant dans l’hélium 4, il faut absolument que des atomes d’hélium 3 dans la première enceinte se diluent dans l’hélium 4 pour maintenir les 6.4% vus précédemment (nous en reparlerons à l’étape 4).
  3. une pompe aspirer l’hélium 3 gazeux qui est ensuite refroidit afin qu’il redevienne liquide. On le ré-injecte dans la première enceinte pour boucler la boucle.
  4. nous avons vu à l’étape 3 que des atomes d’hélium 3 devaient se diluer de leur phase liquide pure dans la phase d’hélium 4 liquide. Cependant, ces quelques atomes entourés d’atomes étrangers constitue une situation plus désordonnée que lorsqu’ils sont juste entourés de leurs semblables. En effet, nous avons vu que l’hélium 4 superfluide n’interférait pas vraiment avec les atomes d’hélium 3 donc ces derniers ont beaucoup de place pour bouger, ce qui crée le désordre. Or, augmenter le désordre demande de l’énergie et c’est en absorbant de la chaleur au niveau de l’échantillon via une tige en métal que cette énergie va être fournie. Ainsi, l’échantillon refroidit et peut atteindre quelques millièmes de degrés au dessus du zéro absolu!

Nous avons vu précédemment ce qu’était tout simplement la température pour ensuite jeter un oeil à ses limites. Nous voyons maintenant qu’une de ses limites peut être approchée de très près (d’autres techniques permettent d’aller encore plus loin, on pourra s’y intéresser plus tard). Cette série d’articles sur la température touche bientôt à sa fin mais j’espère vous avoir donné un goût des surprises qu’une notion a priori aussi simple peut vous réserver. Sur ce, je vous dis à très bientôt!

Bien à vous,

Alexis