En premier lieu, examinons le fonctionnement d’un réfrigérateur à l’hélium liquide.  Pour abaisser la température de ce liquide cryogénique, il suffit de pomper la vapeur d’hélium dans le cryostat.  Pour comprendre ce phénomène, rappelons qu’à la surface de tout liquide, les deux phases (liquide et vapeur) sont en équilibre, c’est-à-dire, qu’il y a autant d’atomes du liquide qui s’évaporent que d’atomes du gaz qui se liquéfient.  En diminuant la pression du gaz d’hélium, l’équilibre est rompu et une partie des atomes du liquide à la surface utiliseront la chaleur du liquide pour s’évaporer.  Un nouvel équilibre s’installera, mais à plus basse température.  Par analogie, nous expérimentons ce phénomène chaque fois qu’une partie humide de notre corps est exposée à l’air.  Pour s’évaporer l’eau utilise la chaleur locale pour se transformer en vapeur et nous éprouvons alors une sensation de froid.

Selon la thermodynamique, voir le diagramme pression en fonction de la température ci-haut, ce moyen nous permettrait d’atteindre de très basses températures.  Cependant, le volume de gaz évacué à chaque minute par une pompe à vide diminue lorsque la pression baisse, limitant en pratique ce moyen de refroidissement.  Typiquement, on refroidit ainsi l’hydrogène de 20 K à 14 K et l’hélium de 4,2 K à 1,2 K.  Il existe un autre gaz formé uniquement de l’isotope^† le plus léger de l’hélium, noté ³He, qui permet de passer de 3,2 K à 0,3 K.  En mélangeant les deux isotopes, ³He (2 protons et 1 neutron) et ⁴He (l’isotope de loin le plus abondant, 2 protons et 2 neutrons), on s’attendrait à un résultat intermédiaire entre 0,3 K et 1,2 K en fonction du mélange.  Mais tel n’est pas le cas, je vais y revenir.

En deuxième lieu, examinons le diagramme de phase d’un mélange des deux isotopes de l’hélium (voir figure ci-contre).  En dessous de 0,87 K débute la phase de non miscibilité de certaines concentrations des deux isotopes.  Après un repos, un tel mélange contiendra deux phases superposées : en bas la phase à faible concentration d’³He (⁴He, plus lourd va au fond du contenant) et en surface, la phase à forte concentration d’³He.  Pour un atome d’³He, passer de la phase concentrée (notée C sur le diagramme) à la phase diluée (notée D) exigera de l’énergie (chaleur latente), tout comme un atome qui passe de la phase liquide à la phase vapeur.

Le fonctionnement du réfrigérateur à dilution repose principalement sur cette propriété de chaleur latente entre les deux phases liquides.  Avec un mélange initial de 30% en ³He, le liquide est refroidi par pompage.  À 0,5 K environ, on laisse la gravité séparer les deux phases, l’une concentrée en ³He (plus légère) en surface et l’autre diluée de ce même isotope au fond.  Le réservoir, appelé « enceinte de mélange », contient les deux phases du liquide.  Il est relié par un capillaire à un autre système, qui par un moyen fort ingénieux, réussit à extraire une proportion beaucoup plus importante d’atomes d’³He que ceux d’⁴He.  Il crée ainsi dans la phase diluée un manque d’atomes d’³He, « forçant » ainsi le transfert de ces atomes de la phase concentrée vers la phase diluée.  Cette opération est endothermique, c’est-à-dire que, tout comme pour l’évaporation, les atomes d’³He prélèvent de la chaleur au liquide pour réaliser ce transfert.  Avec de tels systèmes certaines équipes ont pu atteindre quelques milli Kelvin en continu.

Le réfrigérateur servira principalement à la recherche en supraconductivité.  Pour devenir supraconducteur, le type de matériaux qui nous intéresse doit être refroidi à des températures très faibles.  Le cryostat à dilution nous servira à couvrir la plage de température entre 0,02 K et 2 K.

Lors des premiers tests du réfrigérateur à dilution, nous avons obtenu une température de 12,5 mK.  Cependant, ces tests ont été effectués sans échantillon.