希釈冷凍器の全体像が解ったところで、次は冷凍器の物理を解説する。
まず、ヘリウム３・４混合液の相図を記そう。横軸は、ヘリウム３の濃度である。この相図の特徴は
ヘリウム３濃度６．４％以上の混合液を冷却すると、０Ｋ付近の極低温において「超流動ヘリウム４中にヘリウム３が約６％溶けた希薄相（Ｄ相）」と「ヘリウム３濃度ほぼ１００％の濃厚相（Ｃ相）」の２層に分離することが解る。絶対零度でも希薄相には６．４％のヘリウム３が溶け残る。これは、通常の混合液では見られない異常な振る舞いである。
相分離するという物理は、二つの比重の異なる物質の混合液ではあり得ることである。しかし、絶対零度でも希薄相に数％溶け残るという物質はまれである。実は、これもヘリウム３・ヘリウム４原子の強い量子性に原因がある。
まず、ヘリウム３とヘリウム４原子の大きさの違いに注目する。ここでいう「大きさ」とは、いわゆるボーア半径のようなきっちりとしたコアをもつ球の半径ではない。液体中にある原子１個の大きさ、すなわち、零点振動を考慮しなければ行けない。ヘリウム３の方が、質量が小さい分、ヘリウム４よりも零点振動が大きいから、
「ヘリウム３原子１個が占める体積」 ＞ 「ヘリウム４原子１個が占める体積」
となる。ということは、近接する二つの原子間の距離はについて考えると「ヘリウム３−ヘリウム３間」よりも、「ヘリウム３−ヘリウム４間」の方が短い。しかるに、ファンデアワールス引力Ｖvdwは純粋に電気的な力であって、ヘリウム３・４では殆ど同じである。だから、一つのヘリウム３原子にとっては、１００％の液体ヘリウム３の中にいるより「隣にヘリウム４がいる（ヘリウム４がいくらか溶けている）」ほうが安定になる。
しかし、話はこれだけでは終わらない。なぜなら、上記の理論だけでは、相分離などせず、混合液のままでいたほうが安定になってしまう。しかし、現実には0.87K で相分離という劇的な現象を引き起こしてでも、Ｃ相（ほぼ１００％ヘリウム３）を分離しようとする。
その理由は、液体ヘリウム３がパウリの排他律に支配されたフェルミ粒子系だからである。
今、液体ヘリウム４に ｎ 個のヘリウム３原子を加えてゆくことを考える。これをまずは、真空にフェルミ粒子一つずつを加えてゆく作業であると考える。すなわち、「系にヘリウム３原子１個を加える」のに必要なエネルギーは化学ポテンシャルμ(n) であり、粒子数ｎ の2/3乗に比例する。
(1)
ここに、先に述べた「ヘリウム３は液体ヘリウム４中にあるとエネルギーが下がる」という現象を取り入れ、液体ヘリウム４中のヘリウム３の化学ポテンシャルＦを以下のように書く。
(2)
すなわち、εD(n)はある種の束縛エネルギーであり、粒子数に依存して絶対値が大きくなる量である。
さて、粒子を次々に加えてゆくと、Ｆは増大し、ついにはns で「１００％ヘリウム３における化学ポテンシャルμ0」すなわち「液体ヘリウム３中にヘリウム３原子を一つ追加するのに必要なエネルギー」に到達する。
すなわち、ns 以上の濃度では１００％ヘリウム３でいたほうが安定になる。この濃度が、６．４％なのである。
逆に、液体ヘリウム３中にヘリウム３を導入するのと、ヘリウム４を導入するのとでは、後者の方がエネルギー的に得である。だから濃厚相側におけるヘリウム４溶解度（相図の右下）は絶対零度でようやく０になる。
以上のように、絶対零度におけるヘリウム３・４混合液は全濃度６．４％以下であれば相分離せずにいる方が安定であり、全濃度６．４％以上の場合は「６．４％の希薄液（Ｄ相）」と「１００％のヘリウム３（Ｃ相）」という２相に分離する方が安定であると言うことが解る。
以上のように、希釈冷凍器の混合器(Mixer)の中では、絶対零度においてもＣ相とＤ相が分離しており、Ｄ相のヘリウム３濃度は６．４％が維持されている。
さて、Ｃ相はほぼ１００％ヘリウム３だからフェルミ液体であり、そのエントロピーＳcは温度Ｔに比例する。一方、Ｄ相ではヘリウム４成分は超流動という基底状態であり、エントロピーは殆どない。６．４％の希薄ヘリウム３がフェルミ気体としてエントロピーを担うから、エントロピーSdもやはり温度Ｔに比例する。こうして、Ｃ相Ｄ相間のエントロピー差もやはりＴに比例する。
希釈冷凍とは、ヘリウム３原子を強制的にＣ相からＤ相へ「蒸発」させることによって冷却能力を得る訳だから、Ｃ相Ｄ相間のエントロピー差が冷却能力に寄与する。すなわち、熱力学の法則によれば絶対零度まで
(3)
が維持されることになる。