Soutenance de thèse de doctorat : Thermométrie sous 1 K

Les travaux de thèse ont été menés au LCM - Laboratoire commun de métrologie LNE Cnam au sein de l’équipe « Thermométrie ». Ils ont été dirigés par Mark Plimmer (Maitre de Conférences) et co-encadrés par Laurent Pitre (Directeur de recherche LNE).

Cette thèse porte sur la métrologie des températures inférieures à 1 kelvin, une plage dans laquelle les effets quantiques influencent fortement les propriétés physiques des fluides et des matériaux. Une thermométrie fiable, en lien étroit avec la température thermodynamique, est essentielle dans ce domaine, tant pour la recherche fondamentale que pour les applications technologiques, en particulier avec le développement des expériences spatiales à très basse température et des technologies quantiques fonctionnant à des températures de l’ordre du millikelvin.

L'Échelle Internationale de Température de 1990 (EIT-90) est définie jusqu'à 650 mK. En dessous de cette limite, la seule référence reconnue internationalement est l'Échelle Provisoire de Basse Température de 2000 (PLTS-2000), qui couvre la plage de 0.9 mK à 1 K, basée sur la courbe de fusion universelle de l'hélium-3 ultrapure. En parallèle, des thermomètres secondaires étalonnés sur PLTS-2000 jouent un rôle clé dans la dissémination de cette échelle vers les laboratoires ne disposant pas d’un accès direct aux mesures de la courbe de fusion de l’hélium-3.

L’objectif principal de ce travail a été de mettre en œuvre PLTS-2000 au LNE-Cnam, en assurant une mesure rigoureuse de la courbe de fusion de l’hélium-3 et de sa relation avec la température conformément aux recommandations de l’échelle. Un second objectif a consisté à réaliser une comparaison avec un thermomètre à fluctuations de champ magnétique (MFFT), un thermomètre primaire relatif permettant un accès indépendant à la température thermodynamique via la mesure du bruit magnétique thermique. Enfin, deux thermomètres secondaires couramment utilisés en dessous de 1 kelvin, un thermomètre à sel paramagnétique (CMN) et un dispositif de référence supraconducteur (SRD1000), ont été étalonnés par rapport à PLTS-2000, et leur performance évaluée en termes de stabilité et de reproductibilité.

Les principaux résultats de ce travail sont les suivants :

• La meilleure réalisation de PLTS-2000 a atteint une incertitude relative de 𝑢_𝑟(𝑇₂₀₀₀) ≈ 0,025 × [𝑇₂₀₀₀/(1 mK)]^−0,82 dans la plage de 8 mK à 800 mK. Deux autres réalisations, basées sur des thermomètres à courbe de fusion différents, ont présenté des incertitudes environ quatre fois plus élevées.
• Un thermomètre MFFT commercial a été étalonné à un point fixe (le minimum de la courbe de fusion), permettant d’atteindre une incertitude relative de 𝑢𝑟(𝑇𝑀𝐹𝐹𝑇) ≈ 0,002 (0,2 %) entre 0,9 mK et le point d'étalonnage. Cette performance dépasse les spécifications du fabricant par un facteur 5.
• Une comparaison directe a montré que le MFFT est cohérent avec la PLTS-2000, dans les incertitudes combinées, sur toute la plage. Cet accord renforce la validité de la PLTS-2000 et démontre qu’un laboratoire peut atteindre la précision de la PLTS-2000 en utilisant un MFFT étalonné, sans nécessiter de thermomètre à courbe de fusion.
• Un écart constant de l’ordre de 𝑇_{𝑀𝐹𝐹𝑇} − 𝑇₂₀₀₀ ≈ 0,2 mK a été observé. Il est attribué à un bruit externe d’origine inconnue affectant le MFFT. Cet écart souligne la nécessité d’utiliser un étalon de vérification, tel qu’un SRD, pour surveiller d’éventuelles dérives de décalage lors d’une utilisation prolongée d’un MFFT étalonné.
• Des études détaillées ont été menées sur les températures de transition Tc de trois SRD1000 commerciaux. Ces travaux ont permis :

1. de confirmer la sensibilité apparente de Tc aux champs magnétiques résiduels, aux courants de mesure et au filtrage électronique ;
2. d’ajuster la courbe de transition complète pour extraire une valeur plus précise de Tc que les méthodes classiques ;
3. de mesurer la stabilité à long terme (20 ans) du Tc de six matériaux contenus dans un seul dispositif ;
4. de montrer que la dispersion des Tc entre dispositifs est bien plus importante que la précision sur un même échantillon, justifiant ainsi l’intérêt d’un étalonnage individuel pour la dissémination précise de PLTS-2000 via les SRD1000.

• Un thermomètre CMN a montré une excellente résolution et un temps de réponse court, le rendant particulièrement adapté au contrôle actif de température à très basse température.
• L’alliage d’étain-argent contenant 6 % d’argent a été identifié comme la soudure optimale pour les connexions cryogéniques délicates.

Ce travail contribue à renforcer le cadre métrologique de la thermométrie en dessous de 1 kelvin au LNE, consolidant à la fois la validation de PLTS-2000 et sa dissémination pratique au sein de la communauté cryogénique.

Date : Mardi 27 mai 2025 à 16h00

Lieu : CNAM, 61 rue du Landy, 93210 La Plaine Saint-Denis (Amphithéâtre Carpentier)