Mesurer le magnétisme sous très haute pression

Publié par Redbran le 11/02/2020 à 15:40
Source: CNRS INP
En comprimant la matière à des pressions qui peuvent dépasser le million d'atmosphères, les cellules à enclumes de diamant mettent en lumière les propriétés magnétiques et supraconductrices inédites que certains matériaux acquièrent dans ces conditions extrêmes. Des chercheurs ont mis au point (Graphie) une méthode nouvelle pour les détecter.


Cellule à enclumes de diamant utilisée pour étudier le comportement de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) sous très haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.). Une des enclumes intègre des défauts cristallins (rouge) sur la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...) au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la...) de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) (bleu). Le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point...) appliqué à la cellule (flèches) est expulsé de l'échantillon lorsqu'il devient supraconducteur. La modification des lignes de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique est alors détectée in situ grâce à la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...) émise par les défauts lorsque ceux-ci sont excités par un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) vert (Le vert est une couleur complémentaire correspondant à la lumière qui a une longueur d'onde comprise entre 490 et 570 nm. L'œil humain possède un récepteur, appelé cône M,...). © Margarita Lesik, LAC (En limnologie, un lac est une grande étendue d'eau située dans un continent où il suffit que la profondeur, la superficie, ou le volume soit suffisant pour provoquer une stratification, une...) (CNRS/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la...) Saclay)

L'étude de la matière soumise à de très fortes pressions permet de décrire ce qui se déroule à l'intérieur de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) ou des exoplanètes, mais aussi à mettre en évidence des propriétés remarquables que l'on aimerait stabiliser à pression ambiante. Par exemple, la solubilité de l'hydrogène (L'hydrogène est un élément chimique de symbole H et de numéro atomique 1.) dans les métaux augmente fortement avec la pression jusqu'à former des composés très riches en hydrogène: les super-hydrures. Ceux-ci perdent leur résistivité électrique et deviennent supraconducteurs avec des températures critiques records, comme LaH10 qui est supraconducteur jusqu'à -25 °C à 1,8 millions d'atmosphères. La synthèse de ces nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) sous pression se fait dans des presses à enclumes de diamant. La forme en pointe des enclumes taillées dans des cristaux de diamant permet de créer de telles pressions. La transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi,...) du diamant offre de plus une fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) pour des mesures optiques de visualisation et de spectroscopie, mais aussi des mesures par rayons X en utilisant les grandes installations de rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.). De nombreuses mesures sont développées afin de caractériser l'échantillon comprimé à l'intérieur de ces cellules. Cependant, jusqu'à présent, la mesure des propriétés magnétiques demeurait très difficile.

Des physiciennes et des physiciens du Laboratoire Aimé Cotton (Aimé Auguste Cotton est un physicien, né à Bourg-en-Bresse en 1869, et mort à Sèvres en 1951. Il est le frère du mathématicien et académicien Émile Cotton ; son grand père était directeur de...) (LAC, CNRS/Univ. Paris Saclay), en collaboration avec le CEA-DAM et Thales (Thalès de Milet appelé communément Thalès (en grec ancien Θαλής / Thalês), était un philosophe présocratique ionien né à Milet vers -625 et mort...) R&T, a contourné cette difficulté en observant la réponse de défauts ponctuels du cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de cristallographie, tout solide...) de diamant créés sur la tête d'une des deux enclumes de la cellule. Ces défauts ont été réalisés en implantant des ions azote (L'azote est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole N et de numéro atomique 7. Dans le langage courant, l'azote désigne...) avec un microscope à faisceau d'ions focalisés conçu avec la société Orsay Physics. Ces ions se comportent comme de véritables mouchards quantiques. En présence d'un champ magnétique, ils deviennent plus ou moins luminescents, ce que l'on peut observer par microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible...) optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) à travers l'enclume. Cette technique a été validée par la détection de la supraconductivité (La supraconductivité (ou supraconduction) est un phénomène caractérisé par l'absence de résistance électrique et...) dans MgB2 en observant l'effet Meissner (L'effet Meissner est l'exclusion totale de tout flux magnétique de l'intérieur d'un supraconducteur. Il a été découvert par Walther Meissner et Robert Ochsenfeld en...) qui traduit l'expulsion du champ magnétique d'un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en...) supraconducteur.

Grâce à ces travaux, il deviendra ainsi possible de mieux comprendre la relation entre propriétés électroniques, magnétiques et structurelles en fonction de la pression. En particulier, ils permettront d'étudier de nombreuses compositions d'hydrures métalliques. Ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) expérimentales cumulées permettront d'optimiser l'identification des matériaux dont la supraconductivité persisterait dans des conditions proches de la pression ambiante. Enfin, cette détection magnétique pourrait permettre la mise en évidence de certaines propriétés quantiques de l'hydrogène métallique, qui se forme au-dessus de 4 millions d'atmosphères, et notamment de sa supraconductivité à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée...) ambiante, dont les enjeux scientifiques et industriels sont considérables.

Références
Magnetic measurements on micron-size samples under high pressure using designed NV centers.
M. Lesik, T. Plisson, L. Toraille, J. Renaud, F. Occelli, M. Schmidt, O. Salord, A. Delobbe, T. Debuisschert, L. Rondin, P. Loubeyre et J.-F. Roch. Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble...), le 13 décembre 2019.
DOI: 10.1126/science.aaw4329.
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