Acoustique picoseconde

La technique acoustique picoseconde est une technique optique pompe-sonde résolue en temps, semblable à un sonar à l’échelle nanométrique. À l’origine, celle-ci a été développée par Humphrey Maris et son équipe à l’Université Brown (Etats-Unis, état de Rhode Island) puis introduite en France par Bernard Perrin (INSP, UPMC). Elle est maintenant largement répandue en France (Le Mans, Bordeaux, Lille, etc).

Une spécificité du banc de mesures développé à l’IMPMC est qu’il peut être couplé à une cellule à enclumes de diamants (CED) qui permet d’atteindre de très haute pressions hydrostatiques (jusqu’à 300 GPa) et de hautes températures (20-400°C par chauffage résistif et au-delà par chauffage laser). Le banc permet donc de mesurer les propriétés élastiques et thermodynamiques de solides et de liquides, à haute pression et haute température. Il est ainsi possible de mesurer la ligne de fusion (transition solide-liquide) dans cette gamme de P et T (ainsi que d’autres types de transitions de phase).

Cette technique permet d’accéder aux phénomènes transitoires ultrarapides (acoustiques, thermiques, électroniques) qui sont explorés sur une durée allant de 0.1 ps jusqu’à 100 ns, et sur une échelle de longueur (ou profondeur) de 10 à 100 µm environ (échelle de longueur adaptée aux échantillons en CED). Elle permet la génération et la détection de sons de fréquences de 100 GHz à 1 THz (inaccessibles par diffusion Brillouin de la lumière visible ou rayons X). La détection interférométrique (interféromètre de Michelson stabilisé par asservissement dynamique) permet de détecter les déplacements de surface produits par le passage d’une onde acoustique. Dans les matériaux transparents, il est possible de faire du « Brillouin résolu en temps » (mesure de l’indice de réfraction et/ou de la vitesse du son), qui permet d’étudier les inhomogénéités de volume (sous la forme de variations de l’indice et/ou de la densité

Notre banc de mesures permet d’imager la propagation d’ondes de volume et de surface sur une surface de 100 x 100 µm², ainsi que de cartographier en surface ou en volume certaines propriétés physiques.

L’interface utilisateur, les commandes à distance et l’asservissement dynamique ont été entièrement développés en interne par la Cellule Projet du laboratoire (M.Morand, G.Le Marchand, F.Bergame, F. Gélébart).

Publications

• Article de revue : "Picosecond acoustics method for measuring the thermodynamical properties of solids and liquids at high pressure and high temperature", F. Decremps, M. Gauthier, S. Ayrinhac, L. Bove, L. Belliard, B. Perrin, M. Morand, G. Le Marchand, F. Bergame, J. Philippe, Ultrasonics56129 (2015)
• "Thermodynamic properties of liquid gallium from picosecond acoustic velocity measurements", S. Ayrinhac, M Gauthier, G. Le Marchand, M. Morand, F. Bergame and F. Decremps,J. Phys.: Condens. Mat 19 , 436228 (2015)
• "Equation of state of liquid mercury to 520 K and 7 GPa from acoustic velocity measurements", S. Ayrinhac, M. Gauthier, L. E. Bove, M. Morand, G. Le Marchand, F. Bergame, J. Philippe and F. Decremps, J. Chem. Phys. 140, 244201 (2014)
• “Sound velocity of iron up to 152 GPa by picosecond acoustics in diamond anvil cell", F. Decremps, D. Antonangeli,M. Gauthier, S. Ayrinhac, M. Morand, G. Le Marchand, F. Bergame, and J. Philippe, Geophys. Res. Lett. 41, 1459–1464 (2014)
• "Acoustics of metals under extreme conditions by laser-ultrasonics in diamond anvils cell", Frédéric Decremps, Laurent Belliard, Bernard Perrin and Michel Gauthier, J. Acoust. Soc. Am. 130, 2369 (2011)
• "Equation of state, stability, anisotropy and nonlinear elasticity of diamond-cubic (ZB) silicon by phonon imaging at high pressure", F. Decremps , L. Belliard , M. Gauthier and B. Perrin, Phys. Rev. B 82, 104119 (2010)
• "Sound Velocity Liquid mercury sound velocity measurements under high pressure and high temperature by picosecond acoustics in a diamond anvils cell ", F. Decremps , L. Belliard , B. Couzinet, S. Vincent, P. Munsch, G. Le Marchand and B. Perrin, Rev. Sci. Instrum. 80, 73902 (2009)
• "Sound Velocity and Absorption Measurements under High Pressure Using Picosecond Ultrasonics in a Diamond Anvil Cell: Application to the Stability Study of AlPdMn ", F. Decremps , L. Belliard , B. Perrin and M. Gauthier, Phys. Rev. Lett. 100 , 35502 (2008)