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Supersolidité - désordre - joints de grains S. Sasaki, R. Ishiguro, F. Caupin, H.J. Maris et S. Balibar et S. Balibar Laboratoire de Physique Statistique.

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1 Supersolidité - désordre - joints de grains S. Sasaki, R. Ishiguro, F. Caupin, H.J. Maris et S. Balibar et S. Balibar Laboratoire de Physique Statistique (ENS-Paris) aujourdhui à North Western Univ. (USA) aujourdhui à North Western Univ. (USA) aujourdhui à Tokyo University (Japon) Brown University, Providence (RI, USA) Journées LPS, 16 juin S. Sasaki et al., Science 313, 1098 (2006) - H.J. Maris and S. Balibar, J. Low Temp. Phys. 147, 539 (2007) - S. Sasaki, F. Caupin and S. Balibar, Phys. Rev. Lett. 99, (2007) - S. Balibar and F. Caupin « topical review » J. Phys. Cond. Mat. 20, (2008)

2 un « supersolide » est un solide qui est superfluide solide : élasticité transverse module de cisaillement non nul une conséquence de la localisation des atomes cristaux - verres superfluide : fluide quantique de viscosité nulle fluide quantique de viscosité nulle « condensation de Bose-Einstein » « condensation de Bose-Einstein » bosons en interaction, indiscernables et délocalisés une idée paradoxale

3 lhélium 4 solide peut-il couler comme un superfluide ? E. Kim and M. Chan (Penn. State U. 2004): un oscillateur de torsion (~1 kHz) changement de période propre en dessous de ~100 mK 1 % de la masse du solide se découple des parois qui oscillent ? axe rigide ( Be-Cu) boîte He solide excitation détection pas deffet dans lhélium 3 (fermions)

4 rôle du d é sordre S. Sasaki et al. Science 313, 1098, 2006 vases communicants avec de lhelium solide un tube en verre (1 cm ): cristallisation à partir du liquide superfluide à 1.3 K refroidir à 50 mK difference de hauteur relaxation du niveau intérieur ? hélium solide hélium liquide fenêtre toute variation du niveau intérieur exige un courant de masse vers lextérieur car la densité C = 1.1 L

5 sans joints de grains, pas découlement avec joints de grains, écoulement superfluide temps accéléré x 250 la supersolidité nest pas une propriété intrinsèque de lhélium cristallin, mais une propriété associée à ses défauts la supersolidité nest pas une propriété intrinsèque de lhélium cristallin, mais une propriété associée à ses défauts recuit - trempe (Rittner et Reppy )

6 notre opinion résumée le 16 juin 08 expériences: 2 grands types dinterprétations concurrentes superfluidité dune partie de la matière, associée aux défauts dune manière mystérieuse (I/K) 1/2 diminue parce que linertie I diminue (I/K) 1/2 diminue parce que linertie I diminue pas de superfluidité un changement de la dynamique des défauts (dislocations ? joints de grains ?) provoque une augmentation de la constante élastique K théorie: consensus quasi-général pas de supersolidité dans un cristal sans défauts les dislocations, les joints de grains et lhélium vitreux devraient être superfluides à basse température

7 shear modulus TO period Day and Beamish (Nature 2007): mesure du module de cisaillement transverse dans des échantillons cristallisés à V cst le module de cisaillement augmente de ~ 15 % en dessous de 100 mK ancrage des dislocations par adsorption d impuret é s 3He ? et les joints de grains ? relation avec les exp é riences d oscillateurs de torsion : K augmente? anomalies semblables

8 la physique des joints de grains solid liquid liquid solid liquid crystal 1 crystal 2 grain boundary liquid phase GB GB LS LS équilibre mécanique à linterface liquide-solide : GB LS cos équilibre mécanique à linterface liquide-solide : GB LS cos chaque sillon signale lexistence dun joint de grain qui émerge joints de grains : grand mobilité + ancrage sur les parois

9 croissance lente à volume constant à partir du liquide normal croissance lente (~3 heures) dans un gradient de temp é rature (T parois < T centre ) le solide est transparent mais polycristallin solide hcp liquide liquidenormal2.56K 1.95 K

10 fusion dun cristal après croissance à V constant des canaux liquides apparaissent au contact de chaque joint de grain avec les fenêtres grains < 10 m m û rissement 0.04 K

11 2 cristaux + 1 joint de grains langle du sillon est non-nul => lénergie du joint GB est strictement lénergie du joint GB est strictement < 2 LS => lépaisseur du joint est microscopique, en accord avec Pollet et al. (2007). un mouillage parfait du joint de grains impliquerait GB LS (2 interfaces liq- sol avec du liquide massif entre les deux) épaisseur 10 mm épaisseur 3 mm angle 2 angle 2 le contact de chaque joint avec chaque fenêtre est un canal liquide

12 mesure de langle => lénergie des joints de grains joint de grains parallèle à laxe optique ajustement de léquation de Laplace près du cusp = 14.5 ± 4 ° = 14.5 ± 4 ° GB = (1.93 ± 0.04) LS GB = (1.93 ± 0.04) LS autres cristaux : = 11 ± 3 ° = 11 ± 3 ° = 16 ± 3 ° = 16 ± 3 ° angle 2 angle 2

13 Numerical simulation of grain boundaries Nature 21 octobre 2006

14 Pollet et al. PRL 98, , 2007 joints de grains: ~ 3 couches atomiques d é paisseur; superfluides sauf dans des directions particuli è res. T c ~ 0.2 à 1 K selon l orientation vitesse critique ?

15 largeur w ; épaisseur e invers t prop. à la profondeur z (w ~ 20 m à z = 1 cm) l c : longueur capillaire près dune paroi: mouillage des joints de grains Si l é nergie GB est suffisamment grande, plus précisément si + c < /2 le liquide mouille la ligne de contact joint - paroi. un problème important en science des matériaux (voir par ex. JG Dash Rep. Prog. Phys. 58, 115, 1995) prédiction: canaux liquides aussi à lintersection de tous les joints de grains => un polycristal entre 25 et 35 bars contient un réseau de canaux liquides grain 1 grain 2 liquid wall S. Sasaki, F. Caupin, and S. Balibar, PRL 99, (2007) wall grain 1 grain 2 GB

16 la ligne de contact du joint sur la fenêtre est un canal liquide de largeur w ~ (P-P m ) -1 la largeur du canal triangulaire de liquide décro î t en 1/ z (linverse de lécart à la pression déquilibre liquide-solide P m ) accord avec nouvelles mesures de langle de contact c (qui est hystérétique) le canal liquide devrait dispara î tre vers P m + 10 bar (où 2w ~1 nm)

17 2 interprétations possibles de lexpérience de Sasaki et al. (Science 2006) le transport de masse peut être - le long des joints de grains (alors v c ~ 1 m/s) - ou le long du contact joint-paroi (alors v c ~ 3 mm/s). Ceci pourrait expliquer pourquoi l é coulement superfluide persiste au moins jusqu à 1.13 K - à v é rifier : changer la g é om é trie de la cellule, é tudier h(t) avec plus de pr é cision liquid liquid solid solid

18 perspectives la superfluidité de lhelium 4 solide nest pas établie celle des joints de grains pas encore non plus la dynamique des défauts dans ce cristal quantique est intéressante et pas encore vraiment étudiée caractériser le désordre des échantillons étudiés optique, rayons X, neutrons (collaboration entamée avec Bossy (Grenoble) et Braslau (Saclay), acoustique, conductivité thermique mettre en évidence la superfluidité des joints de grains: - écoulement dans une cellule où lon étranglerait les canaux liquides latéraux avec un champ électrique -réflexion / transmission dondes acoustiques transverses sur des joints de grains


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