Mesures magnétiques sous très hautes pressions par spectrométrie de centres NV : supraconductivité des superhydrures et transitions magnétiques des systèmes d'actinides

Magnetic measurements at very high pressures by NV center spectrometry: superhydride superconductivity and magnetic transitions in actinide systems

• Auteur / Autrice : Valentin Schmidt
• Direction : Paul Loubeyre
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 04/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Magnétisme

Supraconducteur

Haute pression

Magnetism

Suerconductor

High pressure

Résumé

La mesure des propriétés magnétiques des matériaux dans le domaine des 100 GPa était jusqu'à présent très difficile. En collaboration avec l'équipe de Jean-François Roch à l'ENS Paris-Saclay, nous avons développé une nouvelle méthode de mesures magnétiques à haute pression reposant sur l'utilisation des centres NV du diamant, implantés dans les tables des enclumes de la cellule à enclumes de diamant (CED). Grâce à nos développements technologiques récents, la magnétométrie par centres NV est maintenant fonctionnelle à des pressions supérieures à 130 GPa, et cela tout en gardant une sensibilité proche de celle obtenue à pression ambiante. Un nouveau champ d'investigation devient ainsi possible. Nos études vont se focaliser sur la caractérisation de la supraconductivité des superhydrures et des transitions magnétiques des systèmes d'actinides. Les superhydrures sont des composés très riches en hydrogène qui sont formés sous des pressions autour du Mbar, qui forment une nouvelle classe de supraconducteurs à haute température critique, mais une signature incontestable de la supraconductivité par effet Meissner (expulsion du champ magnétique) est attendue. Nous voulons donc observer, en utilisant la magnétométrie par centres NV, l'existence de l'effet Meissner dans deux superhydrures très emblématiques, H3S et LaH10. Les électrons 5f des actinides lourds sont plutôt localisés alors que ceux des actinides légers sont itinérants. Le caractère localisé ou itinérant des électrons 5f dans un composé d'actinide peut être modulé par la pression. La mesure du changement du magnétisme du matériau permet de révéler ce changement et donc de tester les approximations des calculs ab initio qui décident difficilement du caractère localisé ou non d'un électron 5f.

Until now, measuring the magnetic properties of materials in the 100 GPa range has been extremely difficult. In collaboration with Jean-François Roch's team at ENS Paris-Saclay, we have developed a new method for high-pressure magnetic measurements based on the use of diamond NV centers, implanted in the anvil tables of the diamond anvil cell (DAC). Thanks to our recent technological developments, NV center magnetometry is now functional at pressures over 130 GPa, while maintaining a sensitivity close to that obtained at ambient pressure. This opens up a new field of investigation. Our studies will focus on characterizing the superconductivity of superhydrides and the magnetic transitions of actinide systems. Superhydrides are hydrogen-rich compounds formed at pressures in the Mbar range, forming a new class of high-temperature superconductors, but a clear signature of superconductivity by the Meissner effect (expulsion of the magnetic field) is expected. Using NV center magnetometry, we aim to observe the existence of the Meissner effect in two highly emblematic superhydrides, H3S and LaH10. The 5f electrons of heavy actinides tend to be localized, whereas those of light actinides are itinerant. The localized or itinerant nature of 5f electrons in an actinide compound can be modulated by pressure. Measuring the change in the material's magnetism can reveal this change and thus test the approximations of ab initio calculations, which have difficulty deciding whether a 5f electron is localized or not.