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Etude des diagrammes de phase des systèmes MgO-SiO2 à hautes pressions générées par chocs laser

Riccardo Bolis (LULI)

La découverte récente d’un grand nombre d’exoplanètes et en particulier des planètes potentiellement habitables suscite une grande fascination. Pour modéliser les intérieurs de ces planètes, il est crucial de connaître avec précision les propriétés physiques et les équations d’état des composants planétaires. Ces matériaux se trouvent à des conditions de pressions et températures extrêmes ( 1-100 Mbar, 10^3-10^4 K), correspondantes à celles de la matière dense et tiède ou Warm Dense Matter (WDM). La description théorique de cette matière a progressé grâce aux calculs ab initio, mais reste complexe. Les données expérimentales sont fondamentales dans ce contexte.
Ce projet de thèse porte sur l’étude expérimentale de trois matériaux importants pour la géophysique, le MgO, MgSiO3 et Mg2SiO4 dans le domaine ≈ 0.5-10 Mbar. Ces trois matériaux en fait sont les pôles purs magnésiens du (Fe, Mg)SiO3 and (Fe, Mg)2SiO4 qui sont parmi les composantes plus abondantes du manteau terrestre et très probablement des manteaux du Super- Terres et des noyaux des planètes géantes. Pour amener ces matériaux aux conditions typiques des intérieurs planétaires on a utilisé la technique de chocs laser. En particulier, nous avons réalisé trois campagnes expérimentales sur des grandes installations: LULI2000 (Ecole Polytechnique, France), GEKKOXII (Osaka University, Japan), MEC à LCLS (SLAC, USA). Pour chaque campagne, on a utilisé une technique différente. Sur LULI2000 et GEKKOXII nous avons étudié les propriétés de MgO, MgSiO3 et Mg2SiO4 liquide et la fusion avec des chocs décroissants couplés avec des diagnostiques optiques. Sur LULI2000 on a étudié les propriétés électroniques et structurelles du MgO liquide avec la spectroscopie XANES. Sur MEC, on a conduit une expérience de diffraction X pour déterminer les changements structuraux induits par des chocs stationnaires dans le régime solide sur le MgSiO3 et le Mg2SiO4. Dans leur ensemble, les résultats de ces expériences impliquent une révision des diagrammes de phase des matériaux étudiés. En particulier, on a déterminé un nouveau point de fusion pour le MgO (à 470 ± 40 GPa et 9860 ± 810 K), on a résolu une controverse sur la présence d’une transformation liquide-liquide dans le diagramme de phase du MgSiO3 (qui concernait une région autour de ~ 400 GPa sur la Hugoniot)  et on a obtenu pour la première fois des évidences de la amorphisation de la Forsterite (Mg2SiO4 cristal) sous choc (à ~ 50 GPa sur la Hugoniot). En plus on a obtenu des informations sur la réflectivité (liée à la conductivité) pour le trois matériaux, et les données de spectroscopie XANES ont permis de comprendre le mécanisme de fermeture du gap (métallisation) du MgO sous effet de la température.

amphithéatre Becquerel - 14h