Mouvement des dislocations dans l’hélium-4

par Ariel Haziot

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée

Sous la direction de Sébastien Balibar.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    Nous avons découvert que les cristaux d'hélium-4 présentent une plasticité géante dans la limite des très basses températures si l'on élimine toutes leurs impuretés. Les cristaux d'hélium de pureté absolue ne résistent pratiquement pas au cisaillement dans une direction particulière, même sous contrainte extrêmement faible et au voisinage du zéro absolu (0,01 Kelvin). Ce phénomène est un exemple spectaculaire de plasticité car nous avons montré qu'il est une conséquence du glissement de dislocations le long des plans de base de la structure hexagonale compacte. L'amplitude de ce glissement est très grande et sans dissipation ce qui réduit l'un des coefficients élastiques d'environ 80% même sous l'effet de contraintes extrêmement faibles (1 nanobar). On notera cependant que, contrairement à la plasticité classique, il s'agit d'un effet réversible. Il disparaît dès que des traces d'impuretés s'attachent aux dislocations ou si la température augmente au-delà de 0,3 Kelvin ce qui induit des collisions entre les dislocations en mouvement et les phonons thermiques. Ce dernier phénomène nous a permis de mesurer la densité de dislocations (de 10^4 à 10^6 par cm^2) et leur longueur libre. Cette longueur est très grande (50 à 200 micron) et prouve que les dislocations sont peu connectées, vraisemblablement groupées en sous-joints de faible désorientation. Une dernière série d'expériences a mis en évidence l'existence d'une vitesse limite de déplacement des dislocations en-dessous de laquelle les impuretés suivent le mouvement des dislocations. Nous tenterons de comparer ce comportement à celui de cristaux classiques.

  • Titre traduit

    Movement of the dislocations in the helium 4


  • Résumé

    We have shown that the shear modulus of Helium-4 single crystals is highly reduced in one particular direction if their dislocations are free to move. This "Giant Plasticity'' occurs at low enough temperature where thermal phonons disappear and probably down to absolute zero if Helium-3 impurities are suppressed. By studying single crystals with various orientations, we have identified the gliding plane of the dislocations: it is the basal plane of the hcp structure. We found no dissipation in the giant plasticity region and a linear elastic behavior for single crystals down to 10 mK and nanobar stresses. This suggests that dislocations are strings moving freely with no measurable Peierls barriers to overcome, as assumed in the Granato-Lücke theory. We have also demonstrated that the dissipation occurring at higher temperature is due to collisions with thermal phonons. It allowed us to measure precisely the dislocation densities (10^4 to 10^6 cm^-2 depending on crystal quality) and lengths (50 to 200 micron) and to show that these dislocations are grouped in sub-boundaries, consequently poorly connected. These results rule out most existing scenarios for a possible supersolidity of solid Helium-4. A last series of experiments gave us the evidence for a critical dislocation speed under which the impurities bound to the dislocations can follow their motion. A comparison with classical crystals is interesting.

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  • Détails : 1 vol. ([146] p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 125-128. 140 réf. bibliogr.

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