Cellule à enclumes de diamant - Définition
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Principe général
La pression est une force appliquée sur une surface, dont la formule est la suivante :
Où p est la pression exercée, F la force appliquée et S la surface.
Pour atteindre de hautes pressions, on peut agir sur deux aspects :
La cellule à enclumes de diamant joue principalement sur ce second aspect en réduisant la surface. Ainsi, une importante force est appliquée sur un petite surface, produisant de hautes pressions.
L'échantillon que l'on désire étudier est placé dans un fourreau (ou joint) métallique pour assurer l'étanchéité du milieu et deux diamants font office d'enclumes en pressant l'échantillon.
Le diamant a plusieurs propriétés qui le rendent idéal pour ce genre d'utilisation :
- c'est le matériau naturel le plus dur que l'on connaisse ; il résiste sans se déformer à de très hautes pressions
- il a des propriétés optiques excellentes qui, lorsqu'il est pur, le rendent transparent à une grande partie du spectre électromagnétique, permettant ainsi d'étudier l'échantillon à travers les diamants en diffraction des rayons X, en spectroscopie Raman etc.
C'est ainsi que des pressions allant jusqu'à 360 GPa (3,6 millions de fois la pression atmosphérique) et des températures de 5 000 kelvins (plus de 4 700 °C) peuvent être atteintes.
Instrumentation et mesures associées
Mesure de la pression
La mesure de la pression exercée sur l'échantillon fut longtemps un problème majeur qui freina l'utilisation des enclumes de diamants. L'étalonnage de l'évolution d'une raie de fluorescence du rubis en fonction de la pression à la fin des années 1970 permit de lever cet obstacle et contribua à l'essor de cette technique.
Aujourd'hui, la mesure de la pression exercée dans la chambre est réalisée de deux manières :
- en suivant une raie de fluorescence d'un étalon. Le rubis, premier exemple pour lequel la pression a été étalonnée, reste le plus employé, mais d'autres choix sont possibles. Cette méthode est relativement légère à mettre en œuvre ; elle nécessite l'emploi d'un laser excitateur et d'un spectromètre permettant d'analyser la lumière émise par fluorescence.
- en suivant les paramètres de maille d'un étalon, ce qui est possible par une mesure de diffraction. Il peut s'agir notamment de l'or ou du chlorure du sodium.
Les bons étalons pour ce type de mesure sont des cristaux ou des poudres qui restent stables dans le domaine de pressions et de températures considérées.
Méthodes de chauffage
Le chauffage de la cellule est réalisé par des fours résistifs pour les températures allant jusqu'à 1 500 kelvins (un peu plus de 1 200 °C) ou 2 000 kelvins (un peu plus de 1 700 °C) selon les montages. Avec cette technique, la température est mesurée par un thermocouple.
On ne peut pas utiliser cette technique au-delà, car le diamant se transforme alors en graphite. Pour des températures supérieures, on se sert des propriétés optiques du diamant qui le rendent transparent à une grande partie du spectre électromagnétique. C'est ainsi que le faisceau d'un laser infrarouge de puissance est dirigé vers l'échantillon et traverse le diamant sans trop le chauffer. Ainsi, des températures allant jusqu'à 4 000 kelvins (3 700 °C) peuvent-être atteintes. Dans ce cas, la mesure de la température est réalisée par l'étude de la lumière émise par l'échantillon.
