Pour refroidir un matériau à des très basses températures, on a en général besoin de liquides cryogéniques, c’est-à-dire des liquides eux-mêmes très froids : oxygène liquide (90,2 K), azote liquide (77,4K), hydrogène liquide (20,3 K), hélium liquide (4,2 K).
On obtient ces liquides en liquéfiant les gaz correspondant, en général à partir d’une méthode développée au XIXème siècle par les thermodynamiciens : la détente de Joule-Thomson. Une détente de Joule consiste à faire passer un gaz contenu dans un petit volume vers un volume plus grand. Les particules du gaz s’écartent donc les unes des autres. Mais cela va contre leur envie naturelle, car elles sont attirées entre elles par une attraction d’origine électrique dite de Van der Waals (physicien néerlandais, qui était justement le directeur de thèse de Kammerlingh Onnes). Les particules devant fournir un effort pour s’écarter, leur énergie et leur vitesse diminuent. Un gaz dont les particules sont plus lentes est plus froid : la détente a permis de refroidir le gaz. Mais si le gaz ne s’est pas suffisamment refroidi lors du passage à un plus grand volume, il ne se liquéfiera pas.
L’astuce de la détente de Joule-Thomson consiste à faire subir un cycle de détentes successives à un gaz. Pour cela, le gaz est comprimé dans un petit volume par un compresseur. Il passe dans un plus grand volume en passant à travers un petit orifice poreux. La détente n’est donc pas soudaine mais prend du temps, ce qui permet de récupérer le gaz détendu en pompant dans le grand volume, et de le re-comprimer dans la zone à petit volume ; en répétant ce cycle, on refroidit le gaz continument. Cette détente ne fonctionne que si le gaz est déjà assez froid au départ, et il faudra donc le mettre en contact avec des liquides froids préalablement. C’est ce genre de méthode qui a permis à K. Onnes de liquéfier l’hélium en 1908.
Enfin, une fois le gaz liquéfié, on peut encore refroidir le liquide en pompant au-dessus de sa surface le gaz avec lequel il est en équilibre. Cela oblige le liquide à s’équilibrer à nouveau en évaporant des molécules, ce qui, là encore, lui prend de l’énergie et le refroidit. L’hélium peut ainsi être refroidi de 4,2K jusqu’à à peu près 1 K grâce à ce procédé.
