Sonder la matière sous très haute pression en utilisant des neutrons – au Japon et en France [ja]

La plupart de la matière dans l’univers est sous haute et très haute pression, typiquement des kbar à Mbar. Au centre de la Terre, par exemple, le fer est sous une pression de 3.6 Mbar. Connaitre les propriétés (structure, propriétés électroniques et vibrationnelles) de la matière sous de telles conditions est un enjeux fondamental dans les sciences des matériaux.

Pour reproduire ces conditions, des chercheurs ont développé des cellules haute pression capables de comprimer des minuscules échantillons à des centaines de kbar. Ils utilisent des faisceaux de rayons-x très intenses produits dans des synchrotrons pour déterminer leurs propriétés, en particulier leurs structures cristallographiques. Cependant les rayons-x ne sont pas sensibles à des éléments légers comme l’hydrogène, et ne peuvent pas déterminer la structure magnétique de ces matériaux. Pour y parvenir, ils doivent utiliser des neutrons. Des faisceaux de neutrons sont donc produits dans des grands instruments par une réaction nucléaire, projetée sur des échantillons et diffusée par ces derniers.

Un des instruments les plus puissants se trouve au Japon à Tokai dans la préfecture Ibaraki au Complexe Japonais de Recherche sur l’Accélérateur de Protons (J-PARC) au Material and Life Science Facility. Dans cet institut se trouve un instrument spécifique, PLANET, entièrement dédié à des expériences haute pression (photo 1).

Grace au projet SAKURA de 2013 à 2014, puis à un projet de recherche collaborative soutenu par le CNRS et encore en cours, deux équipes basées respectivement à l’Université Tokyo et Sorbonne Université, mènent des recherches collaboratives sur la physique de la glace en présence de sel.

Ils ont par exemple démontré la capacité de la glace VII (une phase de haute pression qui existe uniquement au-delà de 20 kbar) à incorporer des ions de Li et Cl (ou Br) dans sa structure cristalline (Photo 2). L’équipe Japonaise procède également à des expériences similaires en France, à l’Institut Laue Langevin (Grenoble).

Cette recherche aide à mieux comprendre la structure interne des satellites des planètes du système solaire lointains, dans laquelle les scientifiques soupçonnent l’existence de cette ‘glace salée’. Les projets franco-japonais développés répondent aussi à des défis instrumentaux importants : des développements techniques permettant d’atteindre des pressions plus élevées en utilisant des diamants ultra-durs (nanocristalline), un matériau développé récemment en Japon.

À propos du partenariat Sakura

Le partenariat Sakura, soutenu par les ministères de l’Europe et des Affaires étrangères (MEAE) et de l’Enseignement supérieur, de la Recherche et de l’Innovation (MESRI) en France et par la JSPS (Japan Society for Promotion of Science) au Japon, vise à favoriser de nouvelles coopérations entre jeunes chercheurs et à développer les échanges scientifiques et techniques de haute qualité entre les universités et les institutions de recherche des deux pays.

Pour plus d’informations sur le programme Sakura