Neutrons et froid quantique
Publié par Redbran le 04/10/2019 à 14:00
Source: CEA-IRAMIS
La physique de la matière condensée repose sur quelques concepts fondateurs, comme le paradigme de Néel (avec sa description des ordres magnétiques classiques), la théorie des liquides de Fermi (avec le concept de quasi-particule), et la théorie de Landau des transitions de phases (mettant en exergue le concept de brisure spontanée de symétrie). Toutefois, de nouvelles découvertes bouleversent ces dogmes, mettant en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm...) le rôle des fortes corrélations entre quasi-particules, la découverte de transitions de phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) topologiques, ou l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) de nouveaux états 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,...).


A gauche: Réfrigérateur à dilution (La dilution est un procédé consistant à obtenir une solution finale de concentration inférieure que celle de départ, soit par ajout de solvant, soit par prélèvement...) installé sur le diffractomètre (Le diffractomètre est un appareil permettant de mesurer la diffraction d'une onde sur une cible. Le terme est utilisé exclusivement pour la diffractométrie de rayons X.) G4-1 (LLB-Orphée)
Au centre: Cellule de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) (réservoir d'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point...), thermométrie (oxyde de Ru) et conteneur (Dans le domaine du transport, un container (de l'anglais), parfois francisé en conteneur, est un caisson métallique, en forme de parallélépipède,...) cylindrique en vanadium
A droite: Écrans en vanadium pour l'écrantage du rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des transferts de chaleur suivant...).

Ce sont par exemple les liquides ou glaces de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa...), les états de boucle de courant dans certains oxydes, ou la description de nouvelles transitions de phase, sans symétrie brisée, mettant en jeu le confinement/déconfinement d'objets topologiques comme les vortex. Ceci suscite et motive toujours plus avant l'étude de la matière et des "matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) quantiques", pour acquérir de nouvelles connaissances fondamentales et en tirer le meilleur parti pour des applications diverses. Ces nouveaux états de la matière se rencontrent dans des conditions ultimes et notamment aux très basses températures, dans la gamme du milliKelvin (mK).

Dans cette optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.), et pour accompagner cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...), notre équipe du LLB responsable de l'opération du diffractomètre de neutrons G4-1 (LLB-Orphée) a fait l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) d'un nouvel appareil permettant de réaliser des mesures de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de...) des neutrons jusqu'à des températures ultra-basses (40 mK).

Fabriqué par le concepteur (Un concepteur est une personne qui imagine et réalise quelque chose. Ce mot vient du verbe concevoir.) de CryoConcept (famille Hexa Dry), un réfrigérateur à dilution a été adapté pour le diffractomètre à neutrons froids G4-1 en collaboration avec les chercheurs et ingénieurs du LLB. Une des difficultés rencontrées est de s'assurer de la thermalisation des échantillons. En effet, ceux-ci sont sous forme de poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de...), ce qui limite fortement la conduction de la chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !). Pour assurer une bonne thermalisation, les échantillons sont chargés dans des cellules spéciales, conçues par le laboratoire de cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède...) du SPEC, qui permettent de maintenir une pression d'hélium de 15 à 40 bars. Aux températures de travail, cet hélium devenu superfluide (La superfluidité est un état quantique de la matière qui a été découvert pour la première fois en 1937 par Pyotr Leonidovitch Kapitsa,...) assure la thermalisation des échantillons. Le dispositif permet d'atteindre des températures minimales de 38 mK, avec une régulation (Le terme de régulation renvoie dans son sens concret à une discipline technique, qui se rattache au plan scientifique à l'automatique.) automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes...) et autonome de la 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 aux sensations de...) jusqu'à 10 K.

Par ailleurs, l'écrantage du rayonnement thermique, indispensable pour atteindre ces températures, suppose de placer autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) 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 :) une série d'écrans en aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.), emboités comme des poupées russes. Ces écrans sont donc de fait placés dans le faisceau de neutrons, ce qui donne lieu à une diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information),...) parasite. Si rien n'est fait pour la supprimer, cette contribution se présente sous la forme d'une série de pics de Bragg propre à chaque écran (Un moniteur est un périphérique de sortie usuel d'un ordinateur. C'est l'écran où s'affichent les informations saisies ou demandées par l'utilisateur et générées ou restituées par l'ordinateur, sous forme de texte...). Qui plus est, comme ces écrans ne sont pas précisément au centre du faisceau mais en périphérie (Le mot périphérie vient du grec peripheria qui signifie circonférence. Plus généralement la périphérie désigne une limite...), la position de ces pics se décale d'autant plus que l'écran est éloigné du centre du faisceau. La qualité de la mesure est donc très significativement dégradée, et limite les performances globales du spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie de...). Pour supprimer cette contribution, les écrans ont été adaptés en y dessinant des fenêtres en vanadium. Ces fenêtres sous-tendent la totalité de l'angle solide (En mathématiques, en géométrie et en physique, un angle solide est l'analogue tridimensionnel de l'angle plan ou bidimensionnel.) accessible au détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) de G4-1. En outre le vanadium est un diffuseur "incohérent" du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) neutronique, si bien que son utilisation permet de supprimer de facto les pics de Bragg. Un prototype de ce dispositif avait été testé dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le...) "1Dmag" financé par le labex PALM. Dans ce contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les...), il a par exemple pu être montré que l'absence de brisure de symétrie rapportée jusqu'ici dans la littérature sur le composé pyrochlore Er2Sn2O7 était due en fait à une mauvaise thermalisation. En s'affranchissant de cette difficulté, la température de mise en ordre magnétique a pu être mesurée (~ 100 mK) et la structure associée a pu être déterminée [1].

Ce nouveau réfrigérateur à dilution a été livré en mars 2019 (cahier des charges rédigé en février 2018, réception de l'offre CryoConcept en juillet 2019). Il est depuis cette date mis à la disposition des utilisateurs de LLB-Orphée. De nombreuses expériences (plus d'une vingtaine) ont déjà été réalisées: sur des systèmes magnétiques complexes, comme en particulier les composés géométriquement frustrés à structure "pyrochlore" [1], [2], [3], "kagomé" et "hyperkagomé", les matériaux à base de terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.) "RKKY", ou les composés magnétiques unidimensionnels, tous caractérisés par des températures d'ordre magnétique, ou par des phénomènes d'ordre à courte distance, en dessous de 1 K. Le réfrigérateur est en service jusqu'à l'arrêt du réacteur (Un réacteur peut désigner :) Orphée. Au-delà, il sera réutilisé pour les projets SONATE et/ou les projets de CRG sur le réacteur à haut flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant...) de l'ILL (projets SAM et GAPS).

D'autres programmes de recherche bénéficient actuellement de ce nouvel équipement: parmi eux, citons le projet PALM Pyroman (LPS-Univ Orsay-LLB), qui s'intéresse aux systèmes géométriques frustrés de type "Kagomé", le projet de thèse (Une thèse (du nom grec thesis, se traduisant par « action de poser ») est l'affirmation ou la prise de position d'un locuteur, à l'égard du sujet ou du thème...) de Mélanie Léger relatif à la "fragmentation quantique" (collaboration institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel...) Néel-LLB (soutenu par le 2FDN et financé par l'UGA), et une collaboration avec l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au...) de Hiroshima qui étudie la structure magnétique de molécules cages [4]. A titre d'exemple, la figure ci-dessous présente les derniers résultats obtenus par notre équipe du LLB sur des composés géométriquement frustrés de type hyper-Kagomé.

Ce nouveau réfrigérateur à dilution est mis à la disposition des utilisateurs de LLB-Orphée depuis juillet 2019. Plus d'une vingtaine d'expériences ont déjà pu être réalisées sur:
- des systèmes magnétiques complexes, comme en particulier les composés géométriquement frustrés à structure "pyrochlore" [1], [2], [3], "kagomé" et "hyperkagomé",
- les matériaux à base de terres rares "RKKY",
- ou les composés magnétiques unidimensionnels,
tous caractérisés par des températures d'ordre magnétique, ou par des phénomènes d'ordre à courte distance, en dessous de 1 K. Le réfrigérateur est en service jusqu'à l'arrêt du réacteur Orphée. Au-delà, il sera réutilisé pour les projets SONATE et/ou les projets de CRG sur le réacteur à haut flux de l'ILL (projets SAM et GAPS).

D'autres programmes de recherche bénéficient actuellement de ce nouvel équipement: parmi eux, citons le projet PALM Pyroman (LPS-Univ Orsay-LLB), qui s'intéresse aux systèmes géométriques frustrés de type "Kagomé", le projet de thèse de Mélanie Léger relatif à la "fragmentation quantique" (collaboration institut Néel-LLB, soutenue par le 2FDN et financé par l'UGA), et une collaboration avec l'Université de Hiroshima pour l'étude de la structure magnétique de molécules cages [4]. À titre d'exemple, la figure ci-dessous présente les derniers résultats obtenus par notre équipe du LLB sur des composés géométriquement frustrés de type hyper-Kagomé.


A gauche: Évolution en température des diffractogrammes neutrons (G4.1@LLB)
du composé hyper-kagomé Tb3Ga5O12 (TN = 260 mK).
A droite: Ordre magnétique dans Tb3Ga5O12, déterminé par affinement Rietveld des 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.) de diffraction des neutrons.

Références:

[1] Long-range order in the dipolar xy antiferromagnet Er2Sn2O7, S. Petit et al., Physical Review Letters 119, 18 (Oct. 2017), 187202.
[2] Fragmentation in spin ice from magnetic charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non...) injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :), E. Lefrancois et al., Nature Communications 8 (Aug. 2017), 209.
[3] Spin decoupling under a staggered field in the Gd2Ir2O7 pyrochlore, E. Lefrancois et al., Physical Review B 99, 6 (Feb. 2019), 060401.
[4] Chiral-crystal-structure transformations and magnetic states of R3Rh4Sn13 (R=La and Ce), K. Suyama et al., Physical Review B 97, 23 (June 2018), 235138.

Contact CEA-IRAMIS: Françoise Damay et Philippe Boutrouille (LLB/NFMQ)
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