Thèse soutenue

Etude de la dynamique de l'3He liquide et de l'4He superfluide par diffusion inélastique de neutrons

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Auteur / Autrice : Ketty Beauvois
Direction : Henri GodfrinBjörn FåkJacques Ollivier
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
Date : Soutenance le 16/12/2016
Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....) - Institut Max von Laue-Paul Langevin (Grenoble)
Jury : Président / Présidente : Virginie Simonet
Examinateurs / Examinatrices : Ken Holst Andersen, Christian Enss
Rapporteurs / Rapporteuses : Jordi Boronat, Henry R. Glyde

Résumé

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L’étude des corrélations dans les fluides quantiques est abordée dans cette thèse par le biais de mesures neutroniques de leurs excitations élémentaires. Nos recherches sont motivées par les théories récentes qui permettent désormais de décrire ces excitations jusqu’à des vecteurs d’onde atomiques. Par ailleurs, les nouvelles performances du spectromètre temps de vol IN5 de l’ILL offrent la possibilité de réaliser des mesures précises dans une large gamme d’énergie et de vecteur d’onde. Dans le cas de l’4He, l’isotope bosonique, les mesures de diffusion inélastique ont été réalisées à très basse température, de la pression de vapeur saturante jusqu’à la solidification. Les relations de dispersion des excitations élémentaires correspondantes ont été obtenues avec une grande précision. A des énergies supérieures, nous avons observé dans le facteur de structure dynamique une réponse de multi-excitations très fortement structurée, caractérisée par des seuils correspondant à l’interaction entre les modes élémentaires. En particulier, nous avons observé un phonon “fantôme” associé à l’interaction phonon-phonon. Nos mesures dans l’4He superfluide confirment qualititativement les prédictions de la théorie dynamique à N-corps (2015) et même quantitativement jusqu’à une énergie de 2 meV. Les études effectuées dans le cas de l’3He ont été menées jusqu’à des températures bien inférieures à 100 mK dans une cellule spécialement conçue. Les mesures inélastiques sur cet isotope fermionique ont permis de déterminer avec une grande précision les modes collectifs, zéro-son et paramagnon, ainsi que la bande particule-trou. Couvrant une région encore jamais explorée, elles nous ont permis de confirmer la présence prévue par la théorie d’une excitation de type rotonique dans l’3He liquide massif. Ce mode reste ici confiné dans la bande particule-trou, contrairement au cas de l’3He bidimensionnel. L’ensemble de nos mesures apporte une vision complète du facteur de structure dynamique de ces systèmes modèles pour les bosons et les fermions en interaction, depuis le régime de quasi-particules de Landau et des multi-excitations, jusqu’à la limite des hautes énergies où la dynamique rejoint celle des particules indépendantes.