Spins intégrés à une enclume en diamant pour les technologies haute pressions – SADAHPT

Soumettre un matériau à une pression de l’ordre de 100 GPa conduit à des réarrangements structurels et des modifications des liaisons chimiques. En découlent de nouvelles propriétés et de nombreux résultats frappants illustrent cette richesse : le cristal atomique du xénon se transforme en un métal à température élevée et à haute température de fusion ; l'oxygène dense devient un solide formé de molécules O8 ; l'azote forme un polymère solide ; l'hydrogène solide dense a un polymorphisme riche dû aux interactions quantiques nucléaires et sa phase atomique métallique est prédite avec des propriétés remarquables comme une supraconductivité à température ambiante.
Les conséquences de la haute pression sur des éléments purs peuvent être observées sur d’autres composés dans des conditions plus modestes de pression grâce à un effet de pré-compression chimique. Cela a été illustré récemment par l'observation d'une température de supraconductivité record de 203 K pour le sulfure d’hydrogène lorsque ce composé très simple est comprimé à 150 GPa. Cette analogie avec l'hydrogène métallique ouvre la possibilité d'un super-hydride qui serait supraconducteur à température ambiante avec une métastabilité dans les conditions ambiantes. Ces progrès sont dus à la possibilité d’atteindre en laboratoire des pressions supérieures à 100 GPa grâce aux cellules à enclumes diamant (diamond anvil cells – DAC). De nombreux diagnostics ont également été mis au point, soit en synchrotron soit en laboratoire. En outre, la communauté est maintenant assez vaste pour explorer de nombreux types de matériaux.
Les mesures magnétiques sous haute pression restent néanmoins délicates et ne sont accessibles qu’à quelques groupes seulement. Le projet AADAMS propose de développer un diagnostic magnétique pour caractériser les matériaux à haute pression et qui peut conduire à la mise en évidence de la supraconductivité de l'hydrogène métallique. Différentes approches permettent de caractériser les propriétés magnétiques d'un échantillon à l’intérieur d’un DAC : utiliser une cellule de très petites dimensions pour s'adapter à la chambre d'échantillonnage d'un SQUID ; intégrer des bobines électriques à l'intérieur du DAC pour détecter la susceptibilité magnétique de l'échantillon ; utiliser le rayonnement des rayons X du synchrotron soit par dichroïsme circulaire magnétique aux rayons X, soit par diffusion par résonance nucléaire. Cependant ces mesures sont difficiles à mettre en œuvre et leur utilisation au-delà de 100 GPa devient extrêmement délicate. Le projet SADAHPT propose une approche radicalement différente fondée sur la sensibilité au champ magnétique d’"atomes artificiels" créés dans l'une des deux enclumes du DAC. Il s’agit de défauts ponctuels dans le cristal de diamant, appelés centres NV, et qui sont constitués par un atome d'azote (nitrogen-N) venant en substitution d’un atome de carbone lié à une lacune (vacancy-V) sur un site adjacent du réseau cristallin. Le spectre de résonance magnétique du spin électronique présent dans ces défauts peut être détecté optiquement et il permet de déterminer in situ le champ magnétique qui leur est appliqué. Il est alors possible de déterminer l'aimantation du matériau comprimé dans le DAC qui crée ce champ magnétique et d’en déduire l'existence d'une phase supraconductrice par observation directe de l'effet Meissner. En associant les expertises complémentaires du LAC sur la magnétométrie à centres NV, du CEA-DAM et de l’Institut Néel sur les expériences à haute pression, du LSPM sur la synthèse CVD de couches ultrapures ou dopées de diamant monocristallin et du LSI dans la molédélisation par méthodes ab-initio, SADAHPT a comme objectif de démontrer le potentiel de cette technique et surtout sa reproductibilité. Ainsi, un verrou technologique majeur pour la caractérisation de nouveaux matériaux sous très haute pression et la caractérisation de nouveaux phénomènes physiques dans ces conditions extrêmes sera levé.