Thèse soutenue

Etude de la matière dense et tiède à l'aide de diagnostics X - Applications aux intérieurs planétaires
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Auteur / Autrice : Adrien Denoeud
Direction : Michel Koenig
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance en 2014
Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Résumé

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La découverte récente d’un grand nombre d’exoplanètes et en particulier de super-Terres fascine, entrainant avec elle des interrogations toutes aussi nombreuses. Comment modéliser la dynamique de ces objets célestes ? Comment interpréter leurs relations masse/volume ? Qu’en est-il de leur champ magnétique ? Pour aborder ces questions, il est primordial de connaître précisément les équations d’état et les propriétés physiques, autant macroscopiques que microscopiques, des matériaux qui les composent et qui sont soumis à des conditions extrêmes relevant du domaine de la matière dense et tiède (WDM). En outre, les propriétés physiques de ces matériaux, sur lesquels reposent presque exclusivement les modèles planétaires, sont obtenues grâce à des calculs de premier principe basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Il est par conséquent crucial de valider les processus fondamentaux intrinsèques à ces matériaux lorsque leur pression et leur température augmentent afin de confirmer et/ou corriger ces modèles : modifications de leur structure ionique et électronique, métallisation, dissociation, changements de phase, etc. Les travaux réalisés au cours de cette thèse se sont concentrés sur deux matériaux que l’on retrouve principalement dans les planètes de type tellurique : la silice, ou SiO2, comme composé modèle des silicates constituant essentiellement leur manteau, et le fer, élément présent en abondance en leur cœur. Ces matériaux ont été portés dans le régime de la WDM à l’aide de chocs créés par laser au cours de différentes campagnes expérimentales réalisées sur les grandes installations laser LULI2000, JLF (LLNL-USA), GEKKO XII (Japon) et LCLS (Stanford-USA). Afin de pénétrer et sonder cette matière dense et de collecter des renseignements précieux tant sur sa structure ionique qu’électronique, des diagnostics principalement basés sur l'emploi de rayonnement X - à savoir spectroscopie d'absorption près du flanc K (XANES) et diffraction résolues temporellement – ont été utilisés. Parallèlement à ces expériences, des calculs de dynamique moléculaire ab initio basés sur la théorie de la DFT ont été réalisés dans les mêmes conditions que celles atteintes expérimentalement afin d'en extraire les processus physiques intéressants et d'appréhender les limites de la modélisation mise en œuvre. L’ensemble de ces travaux a notamment permis de comprendre le mécanisme de fermeture du gap lors du processus de métallisation de la silice en température et les changements de structure de son liquide en densité, ainsi que de contraindre davantage la courbe de fusion du fer aux très hautes pressions.