L'hélium-3 polarisé gazeux en-dessous d'un kelvin: orientation par pompage optique, relaxation sur une paroi recouverte d'hélium-4
Résumé
Optical pumping techniques, first developed by Colegrove, Schearer, Walters (Physical Review, 1963, vol. 132, p. 2561) make possible to get spin polarized samples of helium-three gas. In low magnetic fields is such a system off-equilibrium. Spin relaxation occurs mainly in the vicinity of the container walls. The atoms interact during their adsorption with magnetic impurities present near or inside the walls. The use of lowly attractive cryogenic solid coatings, like neon or molecular hydrogen, decreases the efficiency of this relaxation process. At a temperature lower than two Kelvin, the adsorption times become too long. We then added a helium-four film in the samples. It excludes helium-three atoms from the vicinity of the walls. With such a film, we obtained by optical pumping a few per cent of nuclear orientation at half a Kelvin. The value of the longitudinal relaxation time was more than thousand seconds. Variations of relaxation time with film thickness, coating composition, gas density and temperature have been studied experimentally. Increasing condensation of helium-four with lowering temperature, helium-three adsorption on the film, helium-three dissolution into the film, especially in the first layers, have been discussed in details. We got a few models describing relaxation processes occuring in the samples. Furthermore, we achieved the first measurements of the spin diffusion coefficient in gaseous helium below one Kelvin, using Nuclear Magnetic Resonance techniques for the detection of the free precession of the spins in calibrated magnetic field gradients.
Le pompage optique permet de réaliser, par la méthode de Colegrove, Schearer, Walters (Physical Review, 1963, vol. 132, p. 2561), des échantillons gazeux d'hélium-trois dont les spins nucléaires sont orientés. En champ magnétique faible, un tel système est hors d'équilibre. La relaxation de l'orientation se produit principalement au voisinage des parois du récipient : pendant leur adsorption, les atomes subissent l'action des impuretés magnétiques présentes dans la paroi. L'utilisation d'enduits cryogéniques solides peu attractifs (le néon, l'hydrogène moléculaire) réduit notablement cet effet jusque vers deux kelvin. A plus basse température, l'allongement des temps d'adsorption les rend inefficaces : nous avons alors ajouté un film d'hélium-quatre liquide aux échantillons pour exclure l'hélium-trois du voisinage immédiat des parois. Avec un tel revêtement de la cellule, nous avons pu réaliser le pompage optique d'un gaz d'hélium-trois vers un demi kelvin et obtenir un taux d'orientation nucléaire de quelques pour cent ; le temps de relaxation de l'orientation longitudinale est alors de vingt minutes. Les variations du temps de relaxation avec l'épaisseur du film, la composition de l'enduit, la densité gazeuse et la température ont fait l'objet d'études expérimentales détaillées. La condensation progressive de l'hélium-quatre lorsqu'on abaisse la température, l'adsorption de l'hélium-trois sur ce film, sa dissolution à l'intérieur et notamment dans les premières couches ont été discutées. Les estimations effectuées ont permis de proposer quelques modèles explicatifs des processus de relaxation qui interviennent. En outre, par des techniques de Résonance Magnétique Nucléaire permettant l'observation de la précession libre des spins dans un champ magnétique inhomogène, nous avons effectué sur le gaz lui-même les premières déterminations expérimentales des coefficients de diffusion de spin dans l'hélium entre un et un demi kelvin.
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