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L’hélium solide en sous-pression : une voie vers un « supersolide » ?
Contacts : J. Dupont-Roc, Ph. Jacquier
Contexte : L’hélium solide est un solide quantique (i.e. l’énergie cinétique de point zéro y est importante). On peut le préparer dans un cryostat en dessous de 1.6 K en élevant la pression de l’hélium liquide au-dessus de 25 bar, pression de la transition liquide/solide hcp. Parmi les propriétés remarquables des solides quantiques discutées dans le passé, la possibilité d’une population finie de lacunes à température nulle a été envisagée. En formant un condensat de Bose dans le solide, ces lacunes conféreraient des propriétés remarquables au solide, appelée « supersolidité ». Il est apparu peu à peu qu’un tel phénomène ne se produit pas dans l’hélium solide, car l’énergie des lacunes El à 25 bar est de l’ordre de 10K et leur densité à basse température tend exponentiellement vers 0. Or El décroit rapidement avec la pression au voisinage de 25 bar. Si on pouvait amener l’hélium solide de façon transitoire au-dessous de 25 bar, on pourrait peut-être se rapprocher d’une situation où l’énergie des lacunes est assez faible pour qu’elles prolifèrent. Pour cela on peut utiliser une onde sonore intense, qui est une manière simple de faire une dépression transitoire dans une phase dense.
Sujet du stage : Production d’une onde sonore d’amplitude jusqu’à plusieurs bars dans un monocristal d’hélium hcp et étude des propriétés du solide au-dessous de la pression de solidification d’équilibre.
L’onde sonore est produite par un émetteur piézo-électrique semblable à ceux qui ont déjà permis au groupe de S.Balibar de produire des pressions négatives dans l’hélium liquide de l’ordre de –10 bar. L’anisotropie de la vitesse du son dans le solide hcp rend la concentration de l’énergie sonore moins efficace, mais ne devrait pas empêcher d’atteindre quelques bars. Les mesures sur le solide métastable se feront par des méthodes optiques : les variations de densité seront détectées par interférométrie ; on devrait pouvoir accéder à l’élasticité du solide par diffusion Brillouin. Le montage expérimental a été mis en place en 2008. Le stagiaire devra l’améliorer pour augmenter l’amplitude de l’onde, réaliser les expériences et analyser les résultats pour quantifier la dépression obtenue.
Sujet de thèse : L’hélium solide en sous-pression : une voie vers un « supersolide » ?
Cette thèse a deux objectifs :
déterminer l’équation d’état de l’hélium solide en dessous de 25 bar ;
mesurer par une méthode optique l’abaissement de l’énergie des lacunes dans cette région du diagramme de phase pour voir si on peut atteindre une énergie proche de zéro.
Ce projet se fait en collaboration avec l’équipe de S.Balibar du Laboratoire de Physique Statistique. Le thème de la « supersolidité » est actuellement extrêmement actif et donne lieu à de nombreuses expériences et spéculations théoriques.
