Study of the Warm Dense Matter with X-ray diagnostics – Applications to planetary interiors
Etude de la matière dense et tiède à l'aide de diagnostics X - Applications aux intérieurs planétaires
Résumé
With the recent discovery of many exoplanets, modelling the interior of these celestial bodies is becoming a fascinating scientific challenge. In this context, it is crucial to accurately know the equations of state and the macroscopic and microscopic physical properties of their constituent materials in the Warm Dense Matter regime (WDM). Moreover, planetary models rely almost exclusively on physical properties obtained using first principles simulations based on density functional theory (DFT) predictions. It is thus of paramount importance to validate the basic underlying mechanisms occurring for key planetary constituents (metallization, dissociation, structural modifications, phase transitions, etc…) as pressure and temperature both increase. In this thesis, we were interested in two materials that can be mainly found in the Earth-like planets: silica, or SiO2, as a model compound of the silicates that constitute the major part of their mantles, and iron, which is found in abundance in their cores. These two materials were compressed and brought to the WDM regime by using strong shock created by laser pulses during various experiments performed on the LULI2000, JLF, GEKKO XII and LCLS laser facilities. In order to penetrate this dense matter and to have access to its both ionic and electronic structures, we have probed silica and iron with X-ray diagnostics, such as time-resolved X-ray Absorption Near Edge Structure (XANES) and time-resolved X-ray diffraction. In parallel with these experiments, we performed quantum molecular dynamics simulations based on DFT at conditions representative of the region investigated experimentally so as to extract the interesting physical processes and comprehend the limits of the implemented models. In particular, these works allowed us to highlight the metallization processes of silica in temperature and the structural changes of its liquid in density, as well as to more constrain the melting curve of iron at very high pressures.
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.
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