Diffusion des neutrons sous champ magnétique intense – MAGFINS

Un sujet d’importance majeure en physique fondamentale est l’étude des corrélations quantiques dans la matière condensée. La recherche de matériaux avancés a permis de découvrir de nouveaux composés, dont les propriétés spectaculaires sont gouvernées par de très fortes corrélations électroniques. Les champs magnétiques intenses permettent d’ajuster avec précision la balance entre les différentes forces liées aux corrélations électroniques. Par conséquent, il est d’importance fondamentale de pouvoir étudier ces matériaux sous conditions extrêmes. La diffraction des neutrons est un outil complémentaire à la diffraction des rayons X, car elle offre une chance unique d’étudier l’ordre magnétique des matériaux. Cependant, la diffusion des neutrons n’est actuellement combinée qu’avec des champs magnétiques statiques modérés, limités à 17 T.

Dans le cadre de ce projet, nous proposons de combiner des expériences de diffusion des neutrons sur monocristaux avec des champs magnétiques allant jusqu’à 40 T, sur des durées d’impulsion de l’ordre de 100 ms. Ce projet a été initié par le succès des deux premières expériences associant champs magnétiques pulsés (jusqu’à 30 T) et diffraction des neutrons réalisées à l’ILL en utilisant une mini-bobine, de la taille d’une pièce de 2 euros, (construite à l’ « Institute for Materials Research » de Sendai, au Japon), placée au sein d’un cryostat à hélium de type « Orange ». Ces deux expériences pionnières, auxquelles les laboratoires signant ce projet ont contribué, ont démontré la faisabilité de la technique. Cependant, elles ont aussi clairement montré qu’il est nécessaire d’améliorer le rapport « temps de mesure/temps total », ou rapport cyclique, en particulier en augmentant la durée des impulsions de champ par au minimum un ordre de grandeur. Evidemment, une telle amélioration nécessite un changement majeur de technologie.

Ici, nous proposons de concevoir, construire et utiliser un dispositif de champ magnétique pulsé, incluant une bobine de champ pulsé ayant le plus grand rapport cyclique possible et un environnement cryogénique adapté. Cet appareil produira des impulsions longues de champ magnétique pulsé, ce qui aura l’avantage de réduire les échauffements par courant de Foucault et la fatigue de la bobine. De manière parallèle, un spectromètre à neutrons sera équipé d’une nouvelle optique focalisante et d’un détecteur rapide (à fort taux de comptage), adapté à la durée typique des impulsions de champ. Cet appareil de champ magnétique pulsé sera combiné avec les techniques rodées de diffraction des neutrons que sont la spectroscopie triple-axe et la diffraction Laue, avec pour objectif l’étude des effets du champ magnétique sur plusieurs systèmes à électrons très fortement corrélés, ainsi que sur des systèmes magnétiques quantiques.

Le projet proposé ici combine des compétences multiples : génération de champs magnétiques pulsés, diffraction des neutrons, environnement cryogénique adapté, et physique du magnétisme de l’état solide. Dans ce but, les expertises complémentaires de quatre laboratoires de renommée mondiale, i.e., le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (LNCMI, CNRS-Toulouse), le Laboratoire de Diffraction Neutronique (INAC/SPSMS/MDN, CEA-Grenoble), l’Institut Laue Langevin (ILL, Grenoble) et l’Institut Néel (IN, CNRS-Grenoble), seront essentielles. Le succès de ce projet permettra de réaliser des expériences de diffraction des neutrons dans des champs magnétiques allant jusqu’à 40 T dans la meilleure source à neutrons au monde, ce qui permettra à l’ILL de se maintenir au meilleur niveau d’une course ultra-compétitive dans laquelle japonais, américains et allemands développent aussi des projets d’expériences de neutrons sous champs magnétiques intenses, et ce avant que le projet d’une installation de champs magnétiques intenses et continues, actuellement en considération, voit le jour à l’ESRF et à l’ILL.