Le fer et ses alliages sous conditions extrèmes et sondés par diagnostiques X sur les installations FEL et lasers intenses – IronFEL

La matière dense et tiède (WDM), régime compris entre la matière condensée et la physique des plasmas, est d'un grand intérêt dans de nombreux contextes, comprenant la formation des planètes, l'intérieur des planètes, et la recherché pour la fusion par confinement inertiel. Cet état de la matière est caractérisé par une densité solide et des températures allant jusqu'à des centaines d'eV. La prédiction des propriétés de la matière dans ces régimes, où ni la matière condensée, ni les modèles plasma sont applicables, est particulièrement difficile. Dans ce contexte, l’étude de la WDM en laboratoire a récemment reçu beaucoup d'attention pour la mesure des propriétés structurales et physiques de ce régime extrême.
En planétologie, la caractérisation des propriétés physiques clés de la WDM est de la plus haute importance. Les propriétés de la matière sous pression extrême (jusqu'à plusieurs dizaines de Mbar) et haute température (jusqu'à quelques eV) qui constitue le noyau de notre planète n'ont pas encore été élucidées, et les modèles disponibles requièrent un besoin urgent de validation des propriétés physiques.
Les alliages de fer sont des composants majeurs du noyau terrestre et des planètes telluriques. La nature et l'abondance des impuretés sont activement débattues et sont intimement liées à de nombreuses questions critiques pour la géosciences: la composition de la Terre, la frontière et nature noyau-manteau, et la génération du champ magnétique terrestre. Comprendre et modéliser le fer et ses alliages dans ces conditions est une étape vers la compréhension directe du champ magnétique Terrestre, et est un pas important pour l'étude des exoplanètes. Plus précisément, les transitions de phase et la température de fusion des alliages du fer sont fondamentales pour comprendre ces questions. Malgré son importance, la température de fusion fait l'objet de longues controverses. Jusqu'à présent, les progrès dans ce domaine ont été limitées par la difficulté de recréer ces états de la matière. Déterminer la courbe de fusion du fer à des pressions Mbar est essentielle pour la description de la dynamique de noyau Terrestre. Une étape importante vers cet objectif a été fait en comprimant la matière jusqu'à une pression de 10 Mbar avec d’innovantes techniques laser. Le chauffage isochore avec des impulsions laser fs permet d’étudier les transitions de phase à haute température et à densité solide. Parce que l'énergie est déposée au niveau des électrons, un régime hautement transitoire hors équilibre est d'abord créé. La relaxation thermique et la réorganisation atomique ne sont pas encore connues en raison d'un manque de validations expérimentales directes.
Le développement récent des lasers à électrons libres (FEL) a réussi à coupler des aspects du rayonnement X synchrotron avec les propriétés des lasers intenses, donnant accès à des impulsions ultra rapides, de haute intensité dans la gamme des X et XUV. Ces propriétés sont d'un grand intérêt pour les études de la WDM : les rayons X permettent un chauffage isochore homogène et en volume. En outre, au cours des cinq dernières années, la communauté FEL a démontré l’efficacité de ces impulsions X pour sonder la matière, ce qui a donné de nouveaux résultats significatifs. Les installations FEL sont maintenant équipées de lasers optiques complémentaires et de nombreuses possibilités s’ouvrent pour les études dynamiques avec des schémas pompe - sonde.
Ce projet mets l'accent sur le fer et ses alliages. Nous proposons de porter la matière à de hautes densités par compression laser, et à de hautes températures – densité solide par chauffage isochore avec les impulsions FEL fs. Ce second aspect se focalisera sur le développement d’expériences pompe - sonde ultra rapide pour accéder aux transitions de phases de la WDM, et ainsi valider les modèles actuels. Une partie essentielle de notre projet consistera à développer des diagnostic X tels que la spectroscopie d’absorption X et la diffusion X.