Ultrasons laser dans les cellules à enclume de diamant pour l'étude des composés moléculaires simples à ultra-hautes pressions – LUDACism

Les ultrasons laser (LU) sont une technique expérimentale offrant la possibilité de générer et détecter des ondes acoustiques par des lasers dans des conditions extrêmes et dans un environnement hostile, sans contact avec les matériaux. Il est possible de mesurer la vitesse de propagation acoustique et les dimensions des échantillons testés, à distance, en analysant les échos acoustiques générés par laser. Nous proposons d'améliorer considérablement la fonctionnalité des ultrasons laser pour le diagnostic des matériaux placés dans une cellule à enclume de diamant (DAC) à des pressions allant jusqu’à 70-100 GPa (où l'épaisseur des échantillons est typiquement comprise entre 5 et 50 micromètres), en appliquant à la fois pour la génération et la détection des ondes acoustiques de volume et d’interface un laser picoseconde (ps). L’utilisation d’un laser avec une durée d'impulsion de 5-10 ps donne la possibilité de créer un spectromètre acoustique avec une bande passante allant jusqu'à 10 GHz, en vue de l'évaluation de la dispersion de vitesse de propagation acoustique et de l'absorption acoustique des matériaux. L'amplitude des ondes acoustiques dans les DAC dans cette bande de fréquence sera augmentée jusqu'à deux ordres de grandeur en comparaison avec les configurations expérimentales existantes. La précision des mesures de vitesse de propagation acoustique, réalisées à l’aide de ce spectromètre LU à des pressions élevées, sera vérifiée par comparaison avec les données disponibles sur les vitesses de propagation acoustique de cisaillement et dans l'argon jusqu'à 70 GPa et par corrélation avec les mesures réalisées spécialement de modules élastiques par diffraction des rayons X. Il est important de noter que les singularités dans les vitesses de propagation acoustique, ou de leurs dérivées par rapport à la pression, particulièrement pour les ondes de cisaillement, peuvent être des indicateurs bien meilleurs (et indépendants) des transitions de phase à ultra-hautes pressions que les discontinuités de densité (en particulier aux pressions supérieures à 40 GPa lorsque le changement relatif de volume à la transition de phase diminue fortement).
Les mesures des vitesses acoustiques et modules d'élasticité dans des échantillons transparents de Ar, N2 et H2O, et également avec une anisotropie induite par contrainte, seront réalisées pour la première fois aux pressions de l’ordre de 70-100 GPa. La spectroscopie à base d’ultrasons laser large bande en cisaillement sera appliquée pour la première fois à l’étude du phénomène fondamental de l'évolution de la rigidité de cisaillement lors des transitions de phases liquide-solide et solide-solide. Elle sera également utilisée pour rechercher des manifestations acoustiques de l'existence / non-existence de la transition induite par la pression d’une eau à faible densité à une eau à forte densité, d’une structure cubique à une structure hexagonale pour l’argon solide, et de la glace d'eau X.
Le spectromètre acoustique ainsi construit deviendra un puissant outil de diagnostic de films minces de solides et de couches minces de liquides. La connaissance de la dépendance en pression des vitesses du son et des modules d'élasticité des liquides et des solides est d'une importance extrême pour quelques branches des sciences naturelles telles que la physique de la matière condensée, la géophysique, la sismologie et la planétologie, ainsi que pour la surveillance des essais d'armes nucléaires.