Matière condensée sous conditions extrêmes

illus-002 Choc laser sur hélium précomprimé à Omega, Rochester (Etats-Unis) – crédit CEA

L’étude de la Fusion par confinement inertiel (FCI) ou des intérieurs planétaires nécessite de connaître l’état de la matière à de très hautes pressions.

À cette fin, des simulations numériques ab-initio utilisant des méthodes de dynamique moléculaire quantique et des développements expérimentaux (presse à enclumes de diamant, chocs laser) sont réalisées pour l’établissement d’équations d’état, de courbes de fusion à haute pression, de diagrammes de phase ou encore de coefficients de transport.

Pour en savoir plus

Édition 2013
Métallisation du plastique dopé au germanium Chocs Avancées 2013 / G. HUSER, V. RECOULES, G. SALIN, D. GALMICHE (CEA – DAM Île-de-France), N. OZAKI, K. MIYANISHI, R. KODAMA (Graduate School of Engineering, Université d’Osaka, Japon), T. SANO, Y. SAKAWA (Institute of Laser Engineering, Université d’Osaka, Japon)

Le plastique dopé au germanium est l’un des matériaux utilisé dans les capsules de fusion par confinement inertiel (FCI). Ses propriétés ont besoin d’être connues avec une grande précision pour obtenir des implosions performantes sur le Laser Mégajoule (LMJ). Par ailleurs, les plastiques dopés sont des mélanges complexes : leur description théorique dans une vaste gamme de conditions thermodynamiques nécessite une validation expérimentale. Au cours d’expériences menées en collaboration avec l’université d’Osaka, nous avons validé les modèles utilisés pour décrire la compressibilité de ces matériaux. En revanche, la métallisation prédite par les modèles courants est surestimée.

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Le Γ - Plateau Chocs Avancées 2013 / J. CLÉROUIN, P. ARNAULT, G. ROBERT (CEA – DAM Île-de-France), C. TICKNOR, L. COLLINS, J. KRESS (Los Alamos National Laboratory, États-Unis)

Le domaine des plasmas chauds et denses couvre les températures de 100 000 K à quelques millions de Kelvin et les compressions de une à plusieurs fois la densité du solide. Dans ce domaine, nous montrons l'existence d'un régime dans lequel ionisation et température se compensent pour produire un couplage constant entre particules. Une modélisation simple de ce comportement permet de prédire les propriétés de ces plasmas.

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La température du noyau de la Terre réévaluée Chocs Avancées 2013 / A. DEWAELE, S. ANZELLINI, P. LOUBEYRE (CEA – DAM Île-de-France), M. MEZOUAR (ESRF, Grenoble), G. MORARD (CNRS − Université Pierre et Marie Curie, Paris)

Nous avons mesuré au laboratoire les conditions de température régnant près du centre de la Terre. Son noyau est constitué essentiellement de fer, liquide ou solide en son centre. Nous avons donc soumis un micro-grain de fer aux conditions extrêmes qu’on trouve dans le noyau terrestre, la zone la plus profonde de notre planète, et déterminé sont état en utilisant le faisceau X de l’ESRF (European Synchrotron Radiation Facility), le plus brillant du monde. La mesure de son point de fusion a permis de déterminer la température dans le noyau : entre 4 000 K et 5 900 K, suivant la profondeur.

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Édition 2012
Fluctuations quantiques des noyaux et structures de l'hydrogène solide sous très hautes pressions : une compréhension par la simulation Chocs Avancées 2012 / G. GenesTe, F. boTTin, M. TorrenT, P. Loubeyre (CEA – DAM Île-de-France)

Grâce à la théorie de la fonctionnelle de la densité électronique, on peut maintenant simuler de manière très prédictive les propriétés de la matière condensée, comme les changements de structure des éléments sous pression. De par la simplicité électronique de l’hydrogène, le diagramme de phase de cet élément devrait être l’un des mieux calculés. Mais pour comprendre l’hydrogène dense, il faut prendre en compte la dispersion quantique des noyaux. C’est un problème difficile. Il peut maintenant être traité en utilisant le formalisme de l’intégrale de chemins, développé par R. Feynman il y a plus 50 ans, et la puissance de calcul des ordinateurs pétaflopiques actuels. Nous venons ainsi de montrer que H2 et D2 , à l'état solide, adoptent des structures différentes dans le domaine des 100 GPa, avec pour H2 une structure qui n’a pas d’équivalent pour un solide classique.

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Édition 2011
Conductivité thermique de l’hydrogène Chocs Avancées 2011 / F. Lambert, V. Recoules, A. Decoster, J. Clérouin (CEA – DAM Île-de-France), M. P. Desjarlais (Sandia National Laboratories, Albuquerque, USA)

La conductivité thermique de l’hydrogène a été évaluée à partir d’une méthode quantique dans un domaine thermodynamique pertinent pour la fusion par confinement inertiel. La conduction thermique joue en effet un rôle primordial dans la physique de l’allumage lorsqu’un phénomène de réactions thermonucléaires auto-entretenues prend forme. Cette approche microscopique a permis de jauger la validité des modèles de conductivité couramment utilisés dans l’élaboration d’expériences de fusion sur les lasers de type Mégajoule.

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Comprendre le diagramme de phase complexe de l’uranium : le rôle du couplage électron-phonon Chocs Avancées 2011 / J. Bouchet (CEA – DAM Île-de-France), S. Raymond (CEA – DSM, Institut nanosciences et cryogénie, INAC, Grenoble), G. H. Lander (Institute for Transuranium Elements, Karlsruhe, Allemagne)

Dans l'uranium, il existe des anomalies de phonons remarquables dans la direction [100]. À basse température, ces anomalies sont responsables d'une transition de phase vers une structure plus complexe. Cette transition est décrite comme une onde de densité de charge (ODC). L'uranium est le seul élément découvert à ce jour qui présente une telle transition de phase à pression ambiante. En fonction de la pression l'ODC disparaît, et, à la même pression, la température supraconductrice atteint un maximum de 2 K, puis diminue avec la pression. Pour expliquer cette interaction entre ODC et supraconductivité, nous avons effectué des calculs couplés à des expériences de diffusion inélastique des rayons X à l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Nous avons notamment mis en évidence l'importance du couplage électron-phonon pour expliquer ce phénomène.

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Édition 2010
Courbe de fusion du tantale : la fin d’une controverse Chocs Avancées 2010 / A. Dewaele, P. Loubeyre (CEA - DAM Île-de-France), M. Mezouar (European Synchrotron Radiation Facility (ESRF), Grenoble), N. Guignot (Synchrotron Soleil, Saint Aubin)

La courbe de fusion est la ligne de transition, T(P), entre le solide et le liquide dans le plan température(T) /pression(P). C’est une donnée essentielle pour décrire les lois de comportement d’un matériau. C’est en particulier une ligne de rupture dans sa réponse mécanique. Mais les résultats de mesure ou de calcul de la fusion sous pression sont encore très discutés dans la littérature. En particulier, les points de fusion du tantale mesurés par compression statique et dynamique étaient en net désaccord. Nous avons revisité la courbe de fusion de ce métal en compression statique, en utilisant la cellule à enclumes de diamants chauffée par laser et un nouveau diagnostic de la fusion basé sur la diffraction de rayons X synchrotron. Des difficultés expérimentales ont été identifiées, qui avaient pu biaiser les résultats publiés. Nos points de fusion sont en accord avec les mesures dynamiques, ce qui met fin à la controverse concernant la fusion de cet élément sous pression.

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Équation d’état de l’hydrogène du solide moléculaire au plasma très dense Chocs Avancées 2010 / L. Caillabet, S. Mazevet, P. Loubeyre (CEA - DAM Île-de-France)

L’équation d’état est la relation macroscopique entre l’énergie, la température, la densité et la pression. Elle reflète les changements microscopiques structuraux, électroniques et quantiques de la matière. Dans le cas de l’hydrogène, il a été récemment montré que les modèles d’équation d’état couramment utilisés conduisaient à des différences majeures dans les applications, comme l’existence d’un coeur massique ou non au centre de Jupiter, ou bien une réduction de 30 % sur le gain d’une cible de fusion par confinement inertiel. La connaissance de l’équation d’état avec une précision à mieux que 4 % sur la densité semble donc nécessaire pour garantir la fiabilité de telles prédictions. Nous avons construit une équation d’état de l’hydrogène basée sur une grille de calculs ab initio, du solide moléculaire au plasma très dense. Nous montrons qu’une précision de 4 % est atteinte sur tout le domaine thermodynamique.

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Édition 2009
Modélisation ab initio du diagramme de phase solide à basse pression et haute température du béryllium Chocs Avancées 2009 / G. Robert, P. Legrand, S. Bernard (CEA - DAM Île-de-France)

Le béryllium a récemment été pressenti comme ablateur potentiel dans les capsules du NIF (National Ignition Facility), ce qui a engendré la publication de nombreux travaux. Dans le cadre de la construction d’équations d’états multiphases prédictives, nous avons construit, à partir d’une modélisation entièrement ab initio, l’équation d’état et les modules élastiques de ce matériau. Nous nous concentrons ici sur une question encore ouverte : l’existence d’une phase cubique centrée stable à basse pression et haute température.

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Édition 2008
Mesure de l’équation d’état de l’hélium dense et chaud Chocs Avancées 2008 /S. BRYGOO, P. LOUBEYRE (CEA – DAM – ÎLE-DE-FRANCE), J. EGGERT, P. CELLIERS, G. COLLINS (LAWRENCE LIVERMORE NATIONAL LABORATORY (LLNL), USA), R. JEANLOZ (UNIVERSITY OF CALIFORNIA, USA)

La connaissance de l’équation d’état de l’hélium et surtout de l’hydrogène, dans le domaine des hautes densités et des hautes températures, est centrale dans de nombreuses applications, comme la modé- lisation des intérieurs planétaires ou le dimensionnement des cibles de fusion par confinement inertiel (FCI). Cependant, la mesure de la relation entre le volume, la pres- sion, l’énergie, la température et l’ionisation du système dans ce domaine thermodynamique restait un défi expérimental. Nous avons développé une nouvelle technique qui couple la com- pression statique et la compression dynamique. Elle est basée sur la génération de chocs laser dans des cellules à enclumes de diamant. Les mesures sur l’hélium, présentées ci-dessous, sont actuellement les plus abouties.

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Édition 2007
Détermination de la courbe de fusion du plomb sous pression : nouvelles mesures en cellules à enclumes diamant et fin d’une controverse Chocs Avancées 2007 / A. DEWAELE, P. LOUBEYRE (CEA - DAM - Île-de-France)

La courbe de fusion est la ligne de transition T(P) entre le solide et le liquide dans le plan température (T) / pression (P). C’est une donnée essentielle pour décrire les lois de comportement d’un matériau. C’est en particulier une ligne de rupture dans sa réponse mécanique. Les méthodes de mesure ou de calcul de la fusion sous pression sont encore très discutées dans la littérature. Les points de fusion mesurés sous compression statique sont parfois très en dessous de ceux mesurés en compression dynamique. Une telle controverse existait sur le plomb. Nous avons revisité la courbe de fusion du plomb en compression statique. Nous avons chauffé un échantillon de plomb, comprimé dans une cellule à enclumes de diamant, à l’aide d’un laser infrarouge. Nous avons suivi les modifications structurales de cet échantillon par une nouvelle technique de diffraction X ayant une résolution temporelle adaptée – de l’ordre de la seconde – au synchrotron ESRF. Des améliorations de la métrologie pression-température ont également permis de réduire les barres d’erreur. Ces nouvelles mesures donnent des points de fusion plus élevés sous pression que les déterminations statiques de la littérature. Le désaccord entre les mesures statiques et dynamiques semble ainsi se résoudre dans les barres d’erreur. De récents calculs sont aussi en bon accord avec nos mesures. Cette nouvelle approche semble donc prometteuse pour déterminer d’autres courbes de fusion très discutées dans la littérature, comme celle du fer ou celle du tantale.

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Simuler la matière dans des conditions extrêmes Chocs Avancées 2009 / J. CLÉROUIN, S. MAZEVET, S. LE ROUX, G. ZERAH, F. LAMBERT, J.-F. DANEL, L. KAZANDJIAN (CEA - DAM - Île-de-France)

La dynamique moléculaire quantique (DMQ) s’est imposée comme l’outil de choix pour décrire les propriétés de la matière dense et chaude, telle que nous la trouvons dans les planètes géantes, la matière sous choc, ou les cibles lasers. La DMQ a permis de calculer la courbe d’Hugoniot du deutérium, d’expliquer la réflectivité d’isolants choqués, ou la conductivité de métaux détendus. Malheureusement cette approche est limitée en température et en densité (T < 50 000 K et ρ < 5ρ0). De récents travaux, et deux thèses (F. Lambert – soutenue en juillet 2007 – et S. Le Roux – en cours) ont permis de prolonger cette approche vers les hautes températures et les hautes densités, rendant possible la simulation de matériaux à des millions de degrés et à des centaines de grammes par cm3.

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Édition 2006
L’oxygène sous pression fait le grand 8 Chocs Avancées 2006 / G. WECK, P. LOUBEYRE (CEA - DAM - Île-de-France)

Parmi les molécules simples, la molécule de di-oxygène O2 est la seule qui possède un moment magnétique. L’oxygène solide présente une grande diversité de structures dont la stabilité est gouvernée par l’interaction magnétique. À très haute pression, l’oxygène solide devient un métal aux températures ambiantes, et un supraconducteur à basse température. Dans un grand domaine de pression entre le domaine magnétique et le régime métallique, l’oxygène solide possède des propriétés surprenantes : il a une couleur rouge et une forte absorption dans l’infrarouge. La structure de cette phase intermédiaire était inconnue malgré de nombreuses études expérimentales et théoriques. En faisant croître un monocristal d’oxygène dans cette phase, sous pression et dans l’hélium, nous avons obtenu de très bonnes données de diffraction X. Nous avons pu voir la structure de cette molécule : cette phase est due à une association moléculaire de quatre molécules O2 en unité rhomboédrique. Il s’agit de la première formation d’une nouvelle molécule par la seule compression.

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Mise à jour : 19/09/2014