Contexte :
La plateforme CryoMat a pour objectif de développer des instruments permettant d’accéder aux propriétés physiques des matériaux à basses températures (électriques, thermiques, mécaniques). De nombreuses données sur les propriétés des matériaux métalliques et plastiques sont aujourd'hui disponibles pour des températures allant jusqu'à 1K. Cependant, pour les matériaux anisotropes, il persiste un manque important de données, et notamment pour les composites. Pour les températures inférieures à 1K, ce manque de données concerne la plupart des matériaux qu’ils soient métalliques, plastiques ou composites.
CryoMat vise à combler cette lacune en développant une plateforme dédiée à la caractérisation des matériaux aux températures cryogéniques, jusqu'aux températures sub-kelvin. Ce développement, soutenu par l'Université Paris Cité (France) et l'IN2P3, est mené dans le cadre du programme DIM Origines, sur la période 2022-2028. Cette plateforme, basée sur le campus des Grands Moulins de l'Université Paris Cité, et de l’IJCLab à Orsay, sera accessible aux laboratoires scientifiques et aux industries. Les propriétés physiques mesurées seront partagées via une base de données ouverte. CryoMat couvrira trois familles de propriétés physiques, et comprendra des bancs de mesure installés dans des cryostats dédiés aux propriétés électriques, thermiques et mécaniques.
Constituant une plateforme et un équipement de référence dans le domaine de la cryogénie pour la région Ile-de-France, CryoMat s'appuie sur les compétences existantes des équipes techniques et scientifiques du laboratoire APC, reconnues internationalement pour leur expérience des systèmes cryogéniques (Jean-Pierre Thermeau) et de l'instrumentation cryogénique (Michel Piat). Le laboratoire partenaire du LNE-CNAM garantira le plus haut niveau de précision des mesures métrologiques et du contrôle qualité des essais.
Les cryostats :
NG-Cryo :
La première étape du projet fut le développement d'un prototype, le cryostat NG-Cryo, financé par le CNRS/IN2P3. Le projet NG-Cryo comprend un cryostat polyvalent conçu pour fonctionner à des températures de 3 à 40 K pour les mesures thermiques. Actuellement, l'APC dispose de moyens de réfrigération à 250 mK, 300 mK et 1 K nécessitant des phases de régénération. Ce cryostat prototype NG-Cryo est dédié au développement de la réfrigération continue à des températures inférieures à 50 mK, et a servi de base à la construction du premier cryostat de la plateforme, dédié aux mesures thermiques.
T-Cryostat (Mesures thermiques) :
Un cryostat conçu à l’APC, est opérationnel, et permet la mesure des propriétés thermiques dans la plage 3K à 300K grâce aux bancs de mesure développés par la société Themacs. Ces mesures sont réalisées par méthodes stationnaires ou instationnaires. Le développement de ces bancs de mesure bénéficie du soutien du LNE et du CNAM. À terme, ce cryostat permettra des mesures de conductivité thermique, d'émissivité, de dilatation thermique, de diffusivité, de capacité calorifique, à des températures inférieures à 1K.
du T-Cryostat fermé
E-Cryostat (Mesures Electriques) :
Les résistances et impédances électriques des matériaux sont mesurées dans la gamme de température [3K ; 40K], à l’aide d’un cryostat conçu par MyCryoFirm. Les mesures sont effectuées à l’aide d’un système quatre pointes fonctionnant à des températures cryogéniques. Un aimant supraconducteur permet de réaliser ces mesures sous un champ magnétique pouvant atteindre 3T. Le positionnement des pointes est réalisé à l’aide d’une caméra et d’actionneurs piézoélectriques. Dans une prochaine étape (2028), un mini-réfrigérateur à dilution sera installé dans le cryostat afin de permettre les mesures électriques jusqu’à 0,1K.
M-Cryostat (Mesures mécaniques) :
Les cryostats permettant la caractérisation mécanique des matériaux sont conçus par l’APC et l’IJCLab, en collaboration avec TOP-Industrie et ACS. Un banc de mesure est opérationnel à l’IJCLab pour des essais de traction jusqu’à 150kN dans l’azote liquide (LN2). Il permet de mesurer différentes propriétés mécaniques et paramètres des matériaux, comme le coefficient de Poisson, le module d'Young, la limite d'élasticité, la limite à la rupture ou encore l'allongement à la rupture. Les essais de traction dans l’hélium liquide (LHe) seront opérationnels au 4ème trimestre 2026. Le banc de traction sera complété par une machine d’essais de fatigue installée à l’APC (campus des Grands Moulins, Paris) en 2027.
Dates clés prévisionelles :
- Mesures thermiques opérationnelles (APC) : @3K 2ème trimestre 2026, @0,3K 4ème trimestre 2028,
- Mesures thermiques opérationnelles (IJCLab) : @3K 4ème trimestre 2026,
- Mesures électriques opérationnelles (APC) : @3K 2ème trimestre 2026, @0,1K 4ème trimestre 2028,
- Mesures mécaniques (traction) opérationnelles (IJCLab) : @77K 4ème trimestre 2025, @4,2K 4ème trimestre 2026,
- Mesures mécaniques (fatigue) opérationnelles (APC) : @4,2K 4ème trimestre 2027.
Collaborations et partenaires :
Ces cryostats intéressent particulièrement nos industries partenaires (MyCryoFirm, Chipiron) pour tester des composants d'instruments médicaux et des systèmes de réfrigération pour l'informatique quantique, pour lesquels la capacité de réfrigération à très basse température est un enjeu majeur. La plateforme intéresse également nos proches collaborateurs académiques comme IAS (CNRS / INSU), LIRA (Observatoire de Paris) et Irfu / DIS au CEA.
Liste du personnel APC impliqué :
Jean-Pierre Thermeau (service Techniques Expérimentales)
Michel Piat (groupe Cosmologie)
Laurent Grandsire (service Techniques Expérimentales)
Gwendal Deniel (service Techniques Expérimentales)
Christophe Chailan (service Techniques Expérimentales)
Alin Ilioni (service Mécanique)
Marie-Reine N'Sougan (service Techniques Expérimentales)
Alain Givaudan (service Mécanique)
Claude Chapron (service Mécanique)
Kevin Biernacki (service Mécanique)
Stéphane Dheilly (service Mécanique)
Maurice Karakac (service Mécanique)
Contacts : M. Piat (Responsable Scientifique), J.P. Thermeau (Responsable Technique), G. Deniel (Responsable des opérations) et L. Grandsire (Chef de projet)
