Supersolidité - désordre - joints de grains S. Sasaki, R. Ishiguro, F. Caupin, H.J. Maris et S. Balibar Laboratoire de Physique Statistique (ENS-Paris) aujourd’hui à North Western Univ. (USA) aujourd’hui à Tokyo University (Japon) Brown University, Providence (RI, USA) - 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, 205302 (2007) - S. Balibar and F. Caupin « topical review » J. Phys. Cond. Mat. 20, 173201 (2008) Journées LPS, 16 juin 2008

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

l’hélium 4 solide peut-il couler comme un superfluide ? axe rigide ( Be-Cu) boîte He solide excitation détection 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 ? pas d’effet dans l’hélium 3 (fermions)

rôle du désordre S. Sasaki et al. Science 313, 1098, 2006 hélium liquide fenêtre vases communicants avec de l’helium 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 toute variation du niveau intérieur exige un courant de masse vers l’extérieur car la densité C = 1.1 L

sans joints de grains, pas d’écoulement avec joints de grains, écoulement superfluide temps accéléré x 250 la supersolidité n’est pas une propriété intrinsèque de l’hélium cristallin, mais une propriété associée à ses défauts recuit - trempe (Rittner et Reppy 2006-2007)

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

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

la physique des joints de grains solid liquid crystal 1 crystal 2 grain boundary liquid phase GB  LS équilibre mécanique à l’interface liquide-solide : GB LS cos chaque sillon signale l’existence d’un joint de grain qui émerge joints de grains : grand mobilité + ancrage sur les parois

croissance lente à volume constant à partir du liquide normal solide hcp liquide normal 2.56K 1.95 K croissance lente (~3 heures) dans un gradient de température (Tparois < Tcentre) le solide est transparent mais polycristallin

fusion d’un cristal après croissance à V constant 0.04 K des canaux liquides apparaissent au contact de chaque joint de grain avec les fenêtres grains < 10 m mûrissement

2 cristaux + 1 joint de grains épaisseur 10 mm épaisseur 3 mm angle 2 l’angle du sillon est non-nul => l’énergie du joint GB est strictement < 2 LS => l’épaisseur 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) le contact de chaque joint avec chaque fenêtre est un canal liquide

mesure de l’angle => l’énergie des joints de grains joint de grains parallèle à l’axe optique ajustement de l’équation de Laplace près du cusp  = 14.5 ± 4 ° GB = (1.93 ± 0.04) LS autres cristaux :  = 11 ± 3 °  = 16 ± 3 ° angle 2

Numerical simulation of grain boundaries Nature 21 octobre 2006

Pollet et al. PRL 98, 135301, 2007 joints de grains: ~ 3 couches atomiques d’épaisseur; superfluides sauf dans des directions particulières. Tc ~ 0.2 à 1 K selon l’orientation vitesse critique ?

près d’une paroi: mouillage des joints de grains GB près d’une paroi: mouillage des joints de grains grain 2 grain 1 liquid grain 1 grain 2 wall wall S. Sasaki, F. Caupin, and S. Balibar, PRL 99, 205302 (2007) Si l’énergie 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 l’intersection de tous les joints de grains => un polycristal entre 25 et 35 bars contient un réseau de canaux liquides largeur w ; épaisseur e inverst prop. à la profondeur z (w ~ 20 m à z = 1 cm) lc : longueur capillaire

la ligne de contact du joint sur la fenêtre est un canal liquide de largeur w ~ (P-Pm)-1 la largeur du canal triangulaire de liquide décroît en 1/ z (l’inverse de l’écart à la pression d’équilibre liquide-solide Pm) accord avec nouvelles mesures de l’angle de contact c (qui est hystérétique) le canal liquide devrait disparaître vers Pm + 10 bar (où 2w ~1 nm)

2 interprétations possibles de l’expérience de Sasaki et al 2 interprétations possibles de l’expérience de Sasaki et al. (Science 2006) liquid solid le transport de masse peut être le long des joints de grains (alors vc ~ 1 m/s) ou le long du contact joint-paroi (alors vc ~ 3 mm/s). Ceci pourrait expliquer pourquoi l’écoulement superfluide persiste au moins jusqu’à 1.13 K à vérifier : changer la géométrie de la cellule, étudier h(t) avec plus de précision

perspectives la superfluidité de l’helium 4 solide n’est 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 l‘on étranglerait les canaux liquides latéraux avec un champ électrique réflexion / transmission d’ondes acoustiques transverses sur des joints de grains