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La recherche au LSI

Laboratoire des Solides Irradiés
(UMR 7642 CEA - CNRS - Ecole polytechnique)

« Solides Irradiés », un nom né de l'histoire du laboratoire - fortement marquée par l'étude des effets d'irradiation dans les matériaux pour le nucléaire - s'applique toujours bien aux thématiques développées au LSI, que l'on peut décliner selon trois axes : étude des excitations dans les solides, défauts dans les matériaux et leurs conséquences, nanomatériaux obtenus par irradiation


Etude des excitations dans les solides
La compréhension fondamentale des solides soumis à une excitation quelle qu'elle soit est encore souvent un défi pour la physique de la matière condensée. Des exemples de problèmes traités dans ce domaine au LSI peuvent être trouvés dans l'activité de l'équipe «Spectroscopie Théorique », qui se consacre au développement des théories nécessaires à la prédiction ab initio - c'est à partir de la structure atomique d'un matériau et sans recours à des paramètres ajustables - des spectres que mesurent les expérimentateurs par exemple auprès des machines de rayonnement synchrotron, ceci dans le cadre du réseau Européen « European Theoretical Specroscopy Facility ». Les aspects cinétiques liés aux excitations électroniques dans les solides irradiés à l'aide de lasers femtoseconde intenses sont aussi étudiés par l'équipe « Interaction Rayonnement-Matière », avec des applications à divers problèmes tels que la compréhension des mécanismes de création de défaut dans le isolants, la tenue au flux des optiques de forte puissance, ou les transitions de phase induites par de telles excitations dans les matériaux à fortes corrélations électroniques (projet FemtoArpes). Des excitations d'énergie plus modeste conduisent aux phénomènes de transport électronique. L'équipe « Supraconductivité et Capteurs » s'intéresse spécifiquement au cas des nanosystèmes à une dimension (nanofils, nanotubes), et en particulier aux concerne les effets liés au spin des électrons (au centre de la « nanospintronique »). L'équipe « Théorie de la Science des Matériaux » étudie, elle, d'un point de vue théorique le problème de la durée de vie des porteurs qui est fortement dominée par l'interaction des électrons excités avec les vibrations atomique du matériau.


Défauts dans les matériaux et leurs conséquences
La production de défauts dans les matériaux est une conséquence directe de l'irradiation. Ces défauts affectent les propriétés physico-chimiques des matériaux et sont en particulier à l'origine du « vieillissement sous irradiation », étudié par l'équipe « Interaction Rayonnement-Matière »,  qui limite la durée de vie de dispositifs ou d'équipements utilisés dans des applications comme l'électronucléaire ou le spatial. Mais les défauts induits par irradiation n'ont pas une nature différente des défauts natifs dans les solides, et les irradiations peuvent donc constituer une méthode de choix pour l'étude des propriétés de tels défauts ainsi que de la relation entre la structure des matériaux et leurs propriétés. On peut alors utiliser l'irradiation comme une méthode de contrôle des propriétés des matériaux, comme le fait l'équipe « Supraconductivité et Capteurs » dans le cas des supraconducteurs à haute température critique (oxydes, pnictides) ou des supraconducteurs « exotiques », l'irradiation intervenant alors comme méthode d'étude des propriétés physiques fondamentales des solides. Par ailleurs, les techniques d'irradiation permettent d'obtenir des états physico-chimiques qui ne sont pas atteignables par les méthodes classiques de synthèse, et ainsi de concevoir de nouveaux matériaux (équipes « Interaction Rayonnement-Matière » et « Physique et Chimie des Nano-Objets »). Enfin, la structure des défauts dans les solides fait aussi l'objet d'études théoriques menées par l'équipe « Théorie de la Science des Matériaux »


Nanomatériaux obtenus par irradiation
Un exemple spécifique de propriétés nouvelles qui peuvent être obtenues par irradiation est celui de la nanostructuration des matériaux. Celle-ci peut résulter notamment de ce que certains types d'irradiations permettent de localiser très fortement le dépôt d'énergie et ses conséquences.  C'est par exemple le cas pour l'irradiation aux ions lourds relativistes qu'utilise l'équipe « Physique et Chimie des Nano-Objets » pour obtenir des membranes polymères nanoporeuses avec des tailles et des géométries de pores contrôlées au nanomètre près. Par ailleurs, les techniques de radiogreffage développées par cette équipe, où de croissance électrochimique en matrice, permettent d'obtenir à l'aide de telles membranes, mais aussi à l'aide de nanoparticules polymères obtenues par voie chimique, des nanomatériaux complexes ou hybrides avec des  applications dans des domaines allant du biomédical à la dépollution, de la fabrication de nanocapteurs magnétostrictifs ou de membranes échangeuses de protons pour piles à combustibles. Une autre méthode de nanostructuration par irradiation consiste à piloter par irradiation les propriétés de précipitation-dissolution de solutions solides ce qui permet là aussi d'obtenir des colloïdes avec des distributions de taille que la synthèse par voie chimique de permet pas d'atteindre.