Supersolidité - désordre - joints de grains

1. 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

2. 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

3. axe rigide ( Be-Cu) boîte He solide excitation détection l’hélium 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 ? pas d’effet dans l’hélium 3 (fermions)

4. rôle du désordreS. 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

5. sans joints de grains, pas d’écoulementavec 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)

6. 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

7. shear modulus TO period Day and Beamish (Nature 2007): mesure du module de cisaillement transverse dans des échantillons cristallisés à V cst 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?

8. liquid phase liquid LS LS  liquid liquid crystal 2 crystal 1 solid GB solid grain boundary la physique des joints de grains 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

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

10. 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

11. épaisseur 10 mm épaisseur 3 mm angle 2 2 cristaux + 1 joint de grains l’angle du sillon est non-nul => l’énergie du joint GBest 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

12. angle 2 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 °

13. Numerical simulation of grain boundaries Nature 21 octobre 2006

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

15. largeur w ; épaisseur e inverst prop. à la profondeur z (w ~ 20 m à z = 1 cm) lc : longueur capillaire près d’une paroi: mouillage des joints de grains GB 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

16. la ligne de contact du joint sur la fenêtre estun 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)

17. liquid liquid solid solid 2 interprétations possibles de l’expérience de Sasaki et al. (Science 2006) • 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

18. 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