Structural and electronic properties of 3d metals up to Warm Dense Matter conditions

Propriétés structurales et électroniques des métaux 3d en conditions de matière dense et tiède Cette thèse de doctorat étudie le fer (Fe) et le cuivre (Cu) dans des conditions de pression et de température extrêmes en collaboration avec First Light Fusion (FLF), une société axée sur le développement de la technologie de fusion nucléaire par fusion par confinement inertiel (ICF). ICF comprime et chauffe le carburant DT pour induire la fusion. FLF utilise des capsules métalliques remplies de carburant DT, nécessitant une connaissance précise des équations d'état (EOS) des matériaux. Cette thèse visait à caractériser la haute pression (P) et la haute température (T) de Fe et Cu, deux métaux utilisé pour le FLF. L'étude a exploré les états thermodynamiques jusqu'à la région de la matière dense et tiède (WDM) pour Fe et Cu, où les matériaux présentent des densités sont celles d'un solide et les températures sont celles du plasma induites par des ondes de choc se déplaçant à des vitesses supersoniques. Fe est intéressant pour FLF vu son rôle dans les alliages d'acier inoxydabl. En parallèle, Fe est important en géophysique pour la modélisation de l'intérieur des planètes, en particulier pour les super-Terres avec des pressions au noyau allant jusqu'à la plage TPa. Malgré des recherches approfondies, le diagramme de phase à haute pression et à haute température de Fe, y compris sa courbe de fusion et sa phase potentielle bcc, reste controversé. Le cuivre, un métal noble, est utilisé comme agent volant ou impacteur lors des impacts à grande vitesse. Des découvertes récentes ont révélé une transition de phase solide-solide dans Cu de fcc à bcc à des pressions supérieures à 180 GPa le long de la courbe de Hugoniot. La courbe de fusion et la limite de phase du Cu dans des conditions multi-Mbar restent inexplorées. Les expériences ont été menées à l'installation laser haute puissance de l'installation européenne de rayonnement synchrotron (ESRF), en utilisant un laser haute puissance et une ligne de lumière ID24 à dispersion d'énergie (ED) de spectroscopie d'absorption de rayons X (XAS). XAS fournit des informations sur la structure électronique et la structure ionique locale de la matière dans des conditions extrêmes. La pression a été mesurée avec le système d'interféromètre de vitesse pour tout réflecteur (VISAR) et en appliquant les relations de choc. Fe et Cu ont été comprimés par choc laser, atteignant des conditions allant jusqu'à 270 GPa et 5 800 K pour Fe, et 300 GPa et 7 185 K pour Cu. La pression est mesurée avec le VISAR, mais déterminater la température est difficile. Dans ce travail, la température pourrait être extraite de la structure fine d'absorption étendue des rayons X (EXAFS), sensible à l'ordre atomique local et au désordre thermique, couplée à un modèle de température (Fe) et à des simulations de théorie DFT-dynamique moléculaire (DFT-MD) (Cu) pour mesurer les températures dans des conditions de choc. Le package Ifeffit a été utilisé pour le Fe et un script Python personnalisé pour Cu, comparant les données expérimentales avec les simulations DFT-MD du CEA Bruyères le Chatel. Le logiciel FEFF a joué un rôle crucial dans l'identification des phases cristallines dans Fe et Cu, en tenant compte des coordonnées atomiques dans les phases solides et de la dynamique vibrationnelle dans les phases liquides sous hautes pressions. Les transitions de phase solide-solide et solide-liquide pourraient être sondées, permettant d'ajouter de nouvelles contraintes au diagramme de phase haute pression et haute température de ces métaux. La température a été extraite des oscillations EXAFS combinées à des modèles dans des conditions aussi extrêmes que celles le long de la courbe de Hugoniot et représente une méthode alternative nouvelle et prometteuse. Enfin, nos résultats mettent en évidence une évolution différente de la structure électronique de ces deux métaux sous compression dynamique ce qui doit être étudié car la théorie prédit correctement la tendance, mais surestime le comportement.