Un zoom sur une cellule à enclumes de diamant. © DP, Steve Jacobsen
Sciences

La physique des hautes pressions bat le record des 2 millions d'atmosphères

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Pour mieux comprendre la physique des matériaux sous hautes pressions et donc l'intérieur des planètes, et maintenant des exoplanètes, les physiciens affinent depuis des décennies des techniques pour aller bien au-delà de la pression atmosphérique. Ils ont dépassé le seuil des deux millions d'atmosphères, atteignant même pour la première fois les presque 10 millions d'atmosphères, comme au centre de la planète Uranus.

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Une équipe de recherche de l'Université de Bayreuth, en collaboration avec des partenaires internationaux, vient d'annoncer via un article publié dans la prestigieuse revue Nature qu'elle avait battu un record dans le domaine de la physique des hautes pressions. Les physiciens ont ainsi pour la première fois commencer à explorer le territoire du comportement de la matière au centre d'astres, comme Uranus dans le Système solaire, ou certaines superterres dans le royaume des exoplanètes, en atteignant presque en laboratoire la pression d'un terapascal, soit 1.000 gigapascals. Pour mémoire, l'atmosphère de la Terre est à une pression moyenne d'environ 100.000 pascals de sorte que, un terapascal, c'est environ 1012 Pa, soit environ 10 millions d'atmosphères !

« La méthode que nous avons développée nous permet pour la première fois de synthétiser de nouvelles structures matérielles dans la gamme terapascal et de les analyser in situ -- c'est-à-dire pendant que l'expérience est toujours en cours. De cette façon, nous découvrons des états, des propriétés et des structures jusque-là inconnus de cristaux et nous pouvons considérablement approfondir notre compréhension de la matière en général. Des informations précieuses peuvent être acquises pour l'exploration des planètes telluriques et la synthèse de matériaux fonctionnels utilisés dans des technologies innovantes », explique dans un communiqué le physicien Leonid Dubrovinsky du Bavarian Geoinstitute (BGI) de l'Université de Bayreuth, premier auteur de la publication.

Prix Nobel de physique 1946, Percy Williams Bridgman (1882-1961) a ouvert la voie à l'étude de la matière à haute pression à l'intérieur des planètes. Il a eu comme étudiants Robert Oppenheimer, le grand géophysicien Francis Birch, et le futur prix Nobel de physique John Hasbrouck van Vleck. Il est considéré comme l'un des théoriciens les plus influents de l'opérationnalisme en épistémologie. © Fondation Nobel

De Bridgman aux Dubrovinsky

Ces résultats s'inscrivent sans nul doute dans la trajectoire ouverte il y a longtemps par le prix Nobel de physique Percy Williams Bridgman, et surtout à son élève Francis Birch qui, en 1952, a démontré que le manteau de la Terre est principalement composé de silicates, et que notre Planète dispose aussi d'un noyau externe liquide et d'un noyau interne solide, tous deux constitués de fer.

En effet, Bridgman a été l'un des pionniers de la physique des hautes pressions que l'on trouve à grande profondeur, dans le manteau ou au cœur de la Terre, voire au centre de planètes géantes comme Jupiter. Pour cela, il a inventé et développé la technique permettant de soumettre des échantillons de matière à des pressions dépassant 100.000 atmosphères au moyen des cellules à enclumes de diamant.

Pour recréer les conditions régnant dans les profondeurs des planètes, des échantillons de matière peuvent été placés entre les pointes de deux diamants. Les diamants sont alors pressés l’un contre l’autre afin de produire des pressions très élevées. Un faisceau laser infrarouge peut alors chauffer l’échantillon jusqu’à 1.000 °C et plus. Traduction en français en cliquant sur le rectangle blanc en bas à droite, puis sur l'écrou, ensuite sur « Sous-titres » et « Traduire automatiquement ». © Carnegie Science

La physique des hautes pressions telles qu'on les trouve à l'intérieur des planètes géantes fait l'objet de travaux qui font régulièrement parler d'eux dans l'actualité depuis une décennie. Cela est dû au fait notamment que l'on a développé des algorithmes pouvant être implémentés sur des ordinateurs suffisamment puissants pour pouvoir prédire l'existence de nouveaux matériaux avec de nouvelles structures, comme par exemple l'algorithme nommé Uspex (Universal Structure Predictor : Evolutionary Xtallography) développé par le grand physicien et cristallographe russe Artem Oganov, mais aussi de nouvelles technologies et méthodes pour faire des expériences toujours plus extrêmes en laboratoire comme celles exposées dans Nature par Leonid Dubrovinsky et ses collègues, sous la direction de Natalia Dubrovinskaia, du Laboratoire de Cristallographie de l'Université de Bayreuth. La chercheuse est célèbre pour avoir obtenu un matériau à base de nitrure de bore presque aussi dur que le diamant.

Aujourd'hui, en dépassant les 10 millions d'atmosphères, c'est un nouveau nitrure de rhénium (Re₇N₃) et un alliage rhénium-azote qui ont été obtenus en bonus. Leur structure cristalline a été caractérisée par des expériences de diffraction de rayons X.

Une vue d'artiste de l'expérience de la physique des hautes pressions avec une enclume de diamants ayant conduit à produire un nitrure de rhénium. © Timofey Fedotenko.
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