Objectifs

L’objectif de ce projet est d’explorer le régime fluide dense et chaud de quelques constituants fondamentaux des planètes Joviennes et glacées (H2, He, N2, O2, CO2, H2O, NH3 and CH4), lorsqu'ils sont soumis à des conditions extrêmes de pression et température. Ce régime P-T, situé entre la phase fluide moléculaire et la phase plasma totalement dissociée, n'a encore jamais été exploré par des expériences de compression statique. Notre but est d’observer  et de caractériser expérimentalement les états exotiques de la matière prédits par les calculs ab initio, tels que l’eau et l’ammoniac ionique, l’oxygène et l’hydrogène métallique, l’hélium conducteur ou les phases polymérisées du dioxyde de carbone et de l’azote. Nous chercherons également à répondre aux questions fondamentales concernant les transitions de phases moléculaire-ionique, isolant-métal, ou moléculaire-polymérique dans ces fluides : Quelles sont leurs signatures structurales et dynamiques ? Sont-elles des transitions liquide-liquide du premier ordre ? Sont-elles précédées par des états d’ordre et/ou de liaisons chimiques intermédiaires ? Nous déterminerons également les équations d’état de ces fluides qui sont des données cruciales pour la modélisation des intérieurs planétaires et complèteront les informations issues des expériences d’ondes de choc dans un domaine de densité inaccessible par ces méthodes.

Pour atteindre nos objectifs, il est nécessaire de mettre en place de nouveaux outils et méthodes capable de résoudre les grands défis techniques que représentent la production et la caractérisation des échantillons fluides de composés légers sous conditions P-T extrêmes.  Nous voulons mettre en œuvre trois sondes expérimentales in situ distribuées sur les sites des trois partenaires: diffraction des rayons X, spectroscopie Raman résolue en temps et diffusion Brillouin. Chacune de ces expériences doit être optimisée pour les études en cellule à enclumes de diamant couplée au chauffage laser, seule technologie capable d’accéder aux conditions extrêmes désirées. Leur combinaison est nécessaire, d’une part, pour faciliter l’analyse des données, et d’autre part, obtenir une description physique, chimique et thermodynamique la plus complète possible des échantillons. Les études expérimentales seront complétées par des études théoriques fondées sur la dynamique moléculaire classique et ab initio, afin d’aider l’interprétation des résultats expérimentaux, d’accéder à des informations difficiles à obtenir par l’expérience seule, et éventuellement guider les expériences.

Ce projet a été divisé en 5 tâches principales :

1.    Stabilisation d’échantillons fluides stables en cellule à enclumes diamant chauffés par laser

2.    Etudes structurales par diffraction des RX

3.    Dynamique vibrationnelle et transitions de phases étudiées par spectroscopie Raman résolue en temps

4.    Vitesse du son, équation d’état et transitions du premier ordre étudiées par diffusion Brillouin

5.    Simulations des fluides denses par dynamique moléculaire ab-initio