Rencontre Jeunes Chercheurs – Samedi 14 mai 2011

 

L'interaction lumière – matière ou comment voir la matière ?

 

 

Mots clés : atome, réflexion, diffraction, lumière, rayons X, rayonnement synchrotron.

 

Dans le cadre de l'option MPI, durant l'année de seconde, nous visité le synchrotron SOLEIL (Source Optimisée de Lumière d'Energie Intermédiaire du Lure) près de Paris. C'est de là que découle notre envie d'approfondir nos connaissances sur le synchrotron et particulièrement sur l'étude de la matière. Nous avons réalisé notre TPE sur ce sujet et nous continuons à mener des expériences et des recherches. Pour cela, nous avons rencontré des chercheurs du CEMHTI, un laboratoire du CNRS, qui nous ont apporté de nombreuses informations sur le sujet.

 

 

 

La structure d'un matériau

 

La matière est constituée à partir d'atomes dont la taille est de l'ordre du nanomètre. Ils peuvent être agencés de différentes manières : ils sont organisés entre eux, le matériau présente donc une organisation à grande échelle, à savoir une répétition de mailles cristallines. Le matériau peut aussi être amorphe, c'est-à-dire qu'il n'y a pas d'ordre à grande échelle dans ce matériau c'est le cas des verres par exemple). Il peut tout de même y avoir un ordre local, comme c'est le cas dans les liquides. Nous avons voulu savoir comment retrouver la structure de la matière, comment voir la matière. Pour cela, nous avons étudié plusieurs phénomènes d'interaction entre la lumière et le matériau, et cela à différentes échelles.

 

 

La modélisation à l'échelle 106

 

Nous avons réalisé une des expériences sur l'analyse de la matière, représentée par de petites billes en verre de diamètres différents, symbolisant les atomes, et espacés par des « trous ». Nous supposions donc que qu'une bille fait réfléchir plus de lumière qu'un « trou ». Le but de l'expérience est donc de, à l'aide d'une photorésistance, de mesurer la lumière renvoyée par les billes exposées à une lumière uniforme au niveau de l'échantillon, afin de distinguer à la fois les « trous » des « bosses » formés par les billes, mais aussi les différents diamètres des billes. Avant de réaliser l'expérience qui consistait à faire avancer une photorésistance le long d'une ligne de billes, nous avons procédé à l'étalonnage de notre dispositif, ainsi qu'aux mesures des différentes billes.

 

Photographie du montage réalisé

 

Ainsi, nous nous sommes aperçus qu'il ne fallait pas surcharger en lumière pour ne pas saturer la résistance

Les résultats, montrent que les billes ne réfléchissent pas la lumière mais la diffusent. Ces résultats sont satisfaisants car on retrouve sur le graphique une certaine organisation des billes. Cependant l'échelle avec laquelle nous avons réussi à voir les billes est beaucoup plus grande que l'échelle de l'atome, et nous avons donc désiré diminuer cette échelle pour nous en rapprocher.

 

Cela nous a ainsi amené à une seconde modélisation, à une échelle dix fois plus petite et utilisant le phénomène de diffraction.

La modélisation à l'échelle 105

 

Cette expérience consiste à envoyer un faisceau laser sur un voilage de rideau. Le réseau de fils est une modélisation de l'organisation interne de la matière. L'espacement entre les différents fils qui le compose a le même ordre de grandeur que la longueur d'onde du faisceau. Lorsque la lumière rencontre le réseau de fils, elle forme une figure d'interférence. Le phénomène de diffraction est ainsi mis en évidence, et cette expérience va de ce fait permettre d'obtenir une image de diffraction en deux dimensions, comme celle ci-contre, qui témoigne de l'organisation de l'échantillon.

Cette figure de diffraction permet donc de connaître l'espacement entre les fils composant le voilage.

 

Ce phénomène de diffraction permet l'analyse de matériaux, mais à plus petite échelle, notamment à l'aide du rayonnement synchrotron et de ses caractéristiques particulières.

 

 

Le rayonnement synchrotron

 

Le rayonnement synchrotron est un rayonnement particulier produit dans un synchrotron, accélérateur circulaire de particules, qui est un outil formidable pour l'analyse des matériaux. Ce rayonnement est formé grâce à des paquets de particules chargées, les électrons, qui sont accélérés à la vitesse de la lumière dans le LiNac (accélérateur linéaire de particules), puis atteignent une énergie de 2,75 GeV dans le Booster (accélérateur circulaire de particules. Les paquets de particules sont alors acheminés vers l'anneau de stockage, composé de lignes droites et de virages. C'est dans ces virages que le rayonnement synchrotron est produit. En effet, les paquets d'électrons y sont déviés par des éléments magnétiques d'insertion, les dipôles et cette déviation engendre donc une décélération des paquets de particules, qui perde de l'énergie, libérée sous forme de rayonnement : le rayonnement synchrotron. Celui se dirige alors en ligne droite vers l'échantillon qu'on désire analyser.

 

Ce rayonnement possède de nombreuses qualités : sa faible divergence, sa polarisation, sa cohérence, sa large étendue dans le domaine spectral (de l'infrarouge -10-5 m- à rayons X durs -2,5.10-11 m-), d'où son appellation de « faisceau blanc », la pulsation du rayonnement, sa forte brillance et sa stabilité. Il permet ainsi l'obtention de résultats très précis.

Le rayonnement synchrotron, par la possibilité de choisir la longueur d'onde adaptée à une situation, permet la réalisation de multiples expériences, et notamment celle de la diffraction des rayons X.

Schéma d'un synchrotron

 

 

La diffraction des rayons X

 

La diffraction des rayons X est un phénomène d'interaction entre la lumière (les rayons X), et la matière ordonnée, cristallisée (comme les minéraux). On a besoin de rayons X car l'ordre de grandeur de leur longueur d'onde correspond à la distance interatomique du matériau. Les rayons X envoyés sur l'échantillon sont renvoyés par les atomes, et ce sont ces rayons renvoyés qu'on peut analyser pour en déduire la composition de l'échantillon, l'organisation des atomes entre eux.

 

La diffraction des rayons X est un phénomène que l'on peut analyser avec un diffractomètre, en laboratoire (comme le CEMHTI), mais les caractéristiques du synchrotron permettent une analyse plus précise du matériau.

 

 

Conclusion

 

    Nos expériences nous ont permis de modéliser l'analyse de la structure d'un matériau à des échelles plus grandes. Cependant plus l'échelle est petite, plus on ressent la nécessité d'analyser le matériau avec une longueur d'onde dont l'ordre de grandeur est petit. Les grands instruments comme les synchrotrons utilisent cette propriété pour une étude à l'échelle de l'atome. Nous allons continuer à mener des expériences pour voir la matière à des échelles de plus en plus petites jusqu'à - pourquoi pas ? - l'échelle de l'atome.


Voilà sur quoi porte notre travail. Nous sommes trois élèves de première S au lycée Pothier à Orléans (Charlie, Damien et Yohann), et nous allons défendre ce projet aux olympiades de physique 2011.