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NanoSciences de Paris
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Acoustique picoseconde sous haute pression

Février 2008

La génération et la détection d’ondes acoustiques de faible longueur d’onde (quelques nanomètres) à l’aide d’impulsions laser femtosecondes a permis la mise au point d’un véritable sonar nanomètrique. C’est grâce au développement de mesures d’acoustique picoseconde résolues en temps sur des objets de taille nanométrique, qu’un dispositif novateur, permettant l’étude de la propagation sonore sous contrainte, a pu voir le jour. Les perspectives ainsi ouvertes couvrent un large spectre en physique de la matière condensée, mais également en géophysique.

Un système soumis à de très fortes contraintes extérieures, voit ses forces inter-atomiques fortement modifiées au point que des transitions de phases peuvent être initiées. La propagation d’ondes acoustiques, intimement corrélée à l’agencement des atomes est donc un outil puissant pour l’étude du comportement sous conditions extrêmes. Connaître les équations d’état des solides est un enjeu très important dans bon nombre de domaines. Un des moyens d’obtenir cette équation est de mesurer, par diffraction de rayons X, les paramètres du réseau cristallin en fonction de la pression. Mesurer la vitesse du son permet d’accéder directement et à moindre coup à la dérivée de cette fonction et donc de déterminer beaucoup plus précisément l’équation d’état

L’utilisation d’enclumes diamant, seules capables de reproduire en laboratoire des pressions pouvant atteindre la centaine de GPa, impose de travailler sur des échantillons de volume très réduit interdisant de facto la génération d’ultrasons par les techniques piézo-électriques. L’étude du comportement aux hautes pressions des systèmes opaques ne pouvait être envisagée. C’est cette limitation que nous avons résolue en couplant un dispositif d’enclume diamant à notre technique de sonar nanométrique. Afin de valider nos approches expérimentales, nous avons fait le choix d’un matériau quasicristallin, AlPdMn, réputé pour sa haute qualité structurale et qui ne présente pas de transition connue sous haute pression. Les mesures ont été conduites jusqu’à 30 GPa. La figure ci-dessous illustre la configuration interférométrique utilisée pour détecter les ondes acoustiques après leur propagation et leur réflexion dans le système.

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Détection interférométrique de type Michelson, b) Vitesse longitudinale en fonction de la pression, les cercles en rouge ont été obtenus par mesures piézoélectriques

Le temps de transit entre les deux échos permet de remonter à l’évolution de la vitesse longitudinale et, par là-même, à l’évolution de la constante élastique en fonction de la pression (voir figure). A très basse pression un accord parfait est obtenu avec des mesures par génération piézoélectrique, validant ainsi définitivement notre approche. L’étude de la décroissance des échos nous permet de mettre en évidence une augmentation de l’atténuation en fonction de la pression. Une telle relaxation peut être reliée à des réarrangements au sein du désordre statique local présent dans ces systèmes. Outre les retombées évidentes en science de la Terre, un tel outil permet d’envisager le contrôle du couplage élastique au sein de nanostructures, et d’aborder la problématique de l’adhésion, question au cœur des nanosciences.

En savoir plus :

"Sound Velocity and Absorption...

F. Decremps, L. Belliard, B. Perrin and M. Gauthier

Physical Review Letter, 100, 035502 (2008)

F. Decremps et M. Gauthier sont chercheurs à [l’Institut de Minéralogie et de Physique des Milieux Condensés-http://www.impmc.jussieu.fr/] (IMPMC)