Diffraction et Champ Magnétique Intense

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F. Duc

To cite this version:

F. Duc. Diffraction et Champ Magnétique Intense. Matière Condensée [cond-mat]. Université de Toulouse III - Paul Sabatier, 2020. �tel-03034444�

Manuscrit présenté par

Fabienne Duc

pour obtenir le diplôme d’

Habilitation à Diriger des Recherches

de l’Université de Toulouse III - Paul Sabatier Ecole Doctorale Sciences de la Matière

Diffraction et Champ Magnétique Intense

préparé au

Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (CNRS UPR3228) soutenu le 19 Novembre 2020

Jury

Président : Sylvain Capponi Rapporteurs : François Baudelet

Sébastien Burdin Olivier Isnard Examinateurs : Isabelle Mirebeau

José-Emilio Lorenzo-Diaz

Invité : Paul Frings

« Ever tried. Ever failed. No matter.

Try Again. Fail again. Fail better. » Samuel Beckett – Worstward Ho

Préambule 1

1 Introduction 5

1.1 Motivations et état de l’art

. . . . 5

1.1.1 De l’utilité de combiner la diffraction aux champs magnétiques intenses

. . . . 5

1.1.2 Sources de rayonnement et champs intenses

. . . . 7

1.2 Des dispositifs dédiés

. . . . 10

1.2.1 Des géométries spécifiques

. . . . 10

1.2.2 Le générateur transportable 1.15 MJ

. . . . 11

2 Diffraction des rayons x en champs magnétiques intenses pulsés 13 2.1 Dispositif expérimental

. . . . 13

2.1.1 La bobine « split-pair » 31-T

. . . . 13

2.1.2 Environnement cryogénique de la bobine « split-pair »

. . . . 15

2.1.3 Le dispositif de champs pulsés sur la ligne de lumière ID06

. . . 18

2.2 Caractérisation des vibrations et stabilité angulaire

. . . . 20

2.3 Acquisition des données avec un détecteur 2D

. . . . 23

2.4 Application au composé antiferromagnétique Fe_1.1Te

. . . . 25

2.4.1 Structures cristallines et magnétiques des composés Fe_1+yTe

. . . 26

2.4.2 Aimantation à fort champ d’un monocristal de Fe_1.1Te

. . . . 29

2.4.3 Sélection irréversible de domaine et transition structurale induites par le champ magnétique dans Fe_1.1Te

. . . . 30

3 Diffraction des neutrons en champs magnétiques intenses pulsés 37 3.1 Dispositif expérimental

. . . . 37

3.1.1 Conception et performances du cryoaimant 40-T

. . . . 37

3.1.2 Contrôle de la température de l’échantillon

. . . . 40

3.1.3 Spectromètre IN22 et principe d’acquisition des données

. . . . . 42

3.2 Application aux systèmes à fermions lourds U(Ru_1−xRh_x)₂Si₂

. . . . 44

3.2.1 Premiers pas : la phase II des composés dopés à 4 et 8% de Rh

. 47

. . . . 51

3.2.3 Qu’en est-il pour U(Ru_0.98Rh_0.02)₂Si₂?

. . . . 61

3.2.4 En conclusion

. . . . 69

4 Bilan et perspectives 71 4.1 Quel bilan pour la diffraction en champs magnétiques pulsés ?

. . . . 71

4.2 Perspectives et projets

. . . . 74

4.2.1 Etude des composés U(Ru1−xFe_x)₂Si₂

. . . . 74

4.2.2 Etude de composés frustrés de type spinelle

. . . . 75

4.2.3 Des sondes complémentaires

. . . . 78

4.2.4 Spectroscopie d’absorption x et champ magnétique intense

. . . . 78

A Conditions expérimentales pour la mesure de U(Ru_0.96Rh_0.04)₂Si₂ 85 A.1 Bobine miniature 30 T

. . . . 85

A.2 Configuration de mesure

. . . . 86

B Estimation du moment magnétique 89 B.1 Notations utilisées

. . . . 89

B.1.1 Diffraction nucléaire

. . . . 89

B.1.2 Diffraction magnétique

. . . . 90

B.2 Application aux mesures en champs pulsés

. . . . 96

B.3 Cas particuliers des phases induites par le champ dans U(Ru_1−xRh_x)₂Si₂

96

. . 98

B.3.2 Moment magnétique de la phase onde de densité de spin induite par le champ dans URu₂Si₂

. . . . 101

B.3.3 Moment magnétique des différentes phases magnétiques dans U(Ru_0.98Rh_0.02)₂Si₂

. . . . 103

Bibliographie 109

Entrée au CNRS en novembre 2001 (section 15) dans l’équipe

dirigée par Patrice Millet au

(CEMES, UPR8011), j’ai tout d’abord travaillé à l’élaboration de nouveaux oxydes de métaux de transition présentant des propriétés magnétiques de basse dimension (systèmes frustrés) et à la détermination de leurs propriétés structurales et magnétiques à basse température, me concentrant tout par- ticulièrement sur la compréhension des couplages entre réseau cristallin et interactions magnétiques.

Engagée dès 2005 dans la mise en œuvre des premières expériences pilotes de diffraction des rayons x synchrotrons par des poudres sous champs pulsés, j’ai changé d’affectation en juin 2006. J’ai alors rejoins le LNCMI-Toulouse pour me consacrer entièrement à ces développements expérimentaux, incluant notamment la mise en place de nouvelles méthodes de collecte et d’analyses de données, avec pour objectif de permettre l’étude, à l’échelle microscopique, des transitions de phase induites par le champ magnétique dans les systèmes à fortes corrélations électroniques.

Bénéficiant de la grande expérience et du savoir-faire des équipes du LNCMI en génération de champs magnétiques pulsés et en techniques cryogéniques associées mais également du support technique et scientifique des lignes synchrotron et neutron concer- nés, plusieurs dispositifs de mesure ont été élaborés, permettant non seulement de réaliser des mesures en champs pulsés de diffraction des rayons x mais aussi de spectroscopie d’absorption x (XAS et XMCD) et de diffraction des neutrons par des monocristaux.

Ces développements ne se sont pas faits sans difficulté. Nous avons en effet dû faire face à des problèmes techniques (vibrations, échauffement des échantillons par les courants induits et/ou par le faisceau de rayons x, adaptation des systèmes de détection et d’ana- lyse des données) dont nous n’avions pas anticipé l’ampleur nous contraignant à revoir nos stratégies et à accepter un certain nombre de compromis. Au-delà des problèmes techniques, se sont également ajoutées les difficultés associées à tout développement sur grands instruments soumis aux demandes de temps de faisceau, à leurs délais d’ob- tention, ainsi qu’aux contraintes d’installation (et de désinstallation) des dispositifs de champs pulsés à chaque campagne de mesure.

De nombreuses expériences ont été réalisées pour valider et tester les performances des différentes bobines et cryostats développés, qui nous ont amené à aborder une grande variété de domaines scientifiques et ont permis de découvrir les limites de ces techniques lorqu’elles sont combinées aux champs intenses.

Depuis 2015, les différentes installations de champs pulsés développées sont ouvertes

aux utilisateurs de la ligne dispersive en énergie ID24 à l’ESRF pour les mesures de

spectroscopie XAS et XMCD et à la communauté des neutroniciens sur le spectromètre

trois-axes IN22 (CEA-CRG) à l’ILL pour la diffraction des neutrons. On peut s’étonner, à juste titre, que des expériences de diffraction soient réalisées sur un spectromètre trois-axes. Cet état de fait résulte du fort investissement de Louis-Pierre Regnault (responsable du spectromètre IN22) dans les développements de la diffraction des neutrons à fort champ dès les premières expériences tests, puis comme partenaire du projet ANR MAGFINS qui a suivi.

En tant que responsable scientifique pour le LNCMI des dispositifs mobiles (générateurs de champs pulsés et cryo-aimants), j’assure leur installation et leur fonctionnement à chaque campagne de mesure. En plus de mes propres activités de recherche, je partage également avec Olivier Mathon à l’ESRF et Frédéric Bourdarot, successeur de Louis-Pierre Regnault sur IN22 depuis 2016, le rôle de contact local, apportant aide et support aux utilisateurs pour les expériences et l’analyse des données.

Mon activité de contact local ne concerne toutefois pas les expériences de diffraction des rayons x synchrotron en champs intenses. Malgré de longs développements (2004- 2012), l’ESRF a en effet arrêté le soutien de cette activité fin 2013. En pratique, cela s’est traduit par l’arrêt des expériences en champs intenses sur la ligne ID06 qui y dédiait 1/3 de son temps interne depuis son ouverture en 2009 et par le démontage au cours des années 2014 et 2015 de l’ensemble des infrastructures installées pour ces mesures spécifiques (diffractomètre, mezzanine pour l’insertion de la canne échantillon dans la bobine, infrastructure pour la cryogénie, câbles coaxiaux et fibres optiques pour le champ pulsé).

Pour rappel, les premiers tests et développements initiés par Emilio Lorenzo (Insti-

tut Néel, Grenoble), Carsten Detlefs (ESRF), Johan Vanacken (Université Catholique

de Louvain), Paul Frings, Geert Rikken (LNCMI, Toulouse), et moi-même ont été

réalisés en 2004 et 2005 sur BM26 (DUBBLE Dutch-Belgian beamline) dirigée à

l’époque par Wim Bras. Le succès de ceux-ci nous a permis d’obtenir un financement

de l’ANR pour le projet SySMaF déposé en 2005. L’objectif de ce dernier était de

concevoir une installation de champs pulsés comprenant un générateur transportable

et des bobines, avec leur environnement cryogénique, adaptées aux expériences de

diffusion des rayons x et de spectroscopie d’absorption x en champs intenses jusqu’à

30 T, de développer le principe d’acquisition des données permettant la synchronisation

du champ pulsé et les mesures synchrotrons, de définir le système de détection le plus

approprié et enfin d’illustrer l’utilité de ces développements par l’étude de quelques

composés à électrons fortement corrélés. Parallèlement au financement de l’ANR, une

proposition d’expérience de longue durée (« Long Term Proposal » donnant accès à 2

semaines de faisceau par an pendant 3 ans) a été accordée au projet par les comités

de sélection ESRF, en plus des campagnes de mesure par propositions d’expériences

classiques. Pour bénéficier d’un flux plus élevé, l’ensemble des tests et expériences a été

accompli pendant cette période sur la ligne ID20 (consacrée à cette époque à la diffusion

magnétique, actuellement dédiée aux excitations magnétiques et électroniques) dont le

responsable était Luigi Paolasini, et sur la ligne dispersive ID24 pour les mesures de

spectroscopie, en collaboration avec Sakura Pascarelli et Olivier Mathon.

C’est au cours de ces trois années (2006-2009), la faisabilité des expériences de diffu- sion des rayons x ayant été complètement démontrée sur des échantillons polycristallins, que l’ESRF a accordé au projet un plan de recherche à long terme d’une durée de 5 ans, incluant la création d’une nouvelle ligne de lumière ID06 qui dédierait une partie de son temps aux développements et mesures en champs intenses. Carsten Detlefs, fortement engagé dès le début à l’optimisation des bobines pour la diffraction, a alors réalisé un énorme travail de conception pour accueillir les champs pulsés sur la nouvelle ligne ID06 et a été nommé à sa tête.

Les difficultés rencontrées par la suite pour mettre au point les expériences de dif- fraction par des monocristaux, extrêmement sensibles aux vibrations introduites par les forces électromagnétiques générées par le champ pulsé, ont donné lieu à de multiples mesures pour les quantifier, nécessitant la mise en place de méthodes optiques et de différents systèmes de détection, faisant notamment appel à des accélèromètres. L’en- semble du travail réalisé pour la compréhension et la minimisation des vibrations subies par l’échantillon a été malheureusement un travail long et fastidieux, plus technique que scientifique qui a nécessité de nombreux déplacements à l’ESRF pour tester les différentes solutions envisagées. Il a été autant source de grands espoirs que de décou- ragements que nous avons réussi à dépasser grâce à la solidarité et à la ténacité liant les personnes attachées à ce projet et grâce aussi à l’optimisme presque sans faille de Xavier Fabrèges et Thomas Roth, tous les deux en post-doctorat respectivement au LNCMI et à l’ESRF.

Ces problèmes techniques ont malheureusement coûté trop de temps au projet et n’ont pas permis de produire suffisamment d’articles répondant au standard de l’ESRF, qui a alors décidé d’arrêter son soutien aux expériences de diffraction au moment même où nous obtenions les premiers résultats sur monocristaux. Depuis lors, l’accès à l’ESRF pour les mesures en champs pulsés concerne uniquement la spectroscopie d’absorption x sur ID24 et ne se fait que par propositions d’expérience.

Malgré la portabilité et la fonctionnalité des dispositifs de champs pulsés dé- veloppés pour la diffraction des rayons x, je n’ai pas engagé pour l’instant de démarches pour remettre en place ces expériences (relativement lourdes) dans un autre centre synchrotron. Comme on a pu le voir, une collaboration active avec le personnel scientifique et technique de la ligne est indispensable. De plus, la ligne de lumière doit permettre non seulement l’installation des bobines mais également du générateur (un espace d’au moins 6 m

au sol (volume 12 m

, 5 t) est nécessaire à proximité de la cabane expérimentale). D’autre part, l’installation sur une nouvelle ligne de lumière nécessitera inévitablement un temps de mise en service de plusieurs mois pour retrouver des conditions de mesure au moins égales à celles obtenues sur ID06.

Les expériences de diffraction en champs magnétiques intenses sur les sources de

rayonnement synchrotron et les réacteurs neutrons n’ont pour autant rien perdu de leur

intérêt. Au contraire, la multiplicité des projets de cryoaimants dans les grands centres

de recherche synchrotron et neutron, motivée par les questions soulevées en physique

de la matière condensée, reflète tout l’intérêt de la communauté et incite à poursuivre

les développements et les efforts engagés pour améliorer les stratégies de mesure. Et

ce d’autant plus que l’évolution rapide des technologies en jeu combinée aux capacités des nouvelles sources de rayonnement de type XFEL ou à spallation comme l’European

devrait ouvrir de nouvelles perspectives.

Compte tenu de la diversité des techniques et des nombreuses expériences réalisées au cours de ces quinze dernières années, j’ai décidé de ne présenter dans ce manuscrit qu’une partie de mon activité de recherche dédiée à la diffraction par des monocristaux en champs magnétiques pulsés. L’organisation du manuscrit est ainsi la suivante :

Le

rappelle quelques questions soulevées en physique de la matière condensée à l’origine du développement des expériences de diffusion des rayons x et des neutrons à fort champ, avant de présenter un bref état de l’art des différents dispositifs mis en œuvre et utilisés dans certains centres synchrotrons et neutrons.

Le

est consacré à la description de la bobine à champ vertical et à la cryogénie associée développée par le LNCMI pour la diffraction des rayons x alors que le

présente le cryoaimant à champ horizontal et ouvertures coniques dédié à la diffraction des neutrons. Dans chacun de ces chapitres, un exemple d’application illustre l’utilisation et les performances de ces instruments.

Enfin, dans le

aussi leurs limites avant d’aborder les perspectives qu’ils offrent, ainsi que les projets

que j’envisage de poursuivre.

Introduction

1.1 Motivations et état de l’art

1.1.1 De l’utilité de combiner la diffraction aux champs magnétiques intenses

Comprendre comment les phénomènes quantiques contrôlent le comportement ma- croscopique de matériaux aussi variés que les systèmes à fermions lourds, les supracon- ducteurs à haute

, les systèmes de spins quantiques, les oxydes, les intermétalliques ou les matériaux moléculaires, est au centre des activités de recherche menées en matière condensée. Dans ces matériaux, de fortes interactions entre électrons sont la cause de comportements collectifs et conduisent à un équilibre subtil entre états fondamentaux en compétition.

Dans les laboratoires de champs magnétiques intenses où des champs continus de 45 T et des champs pulsés de plus de 100 T sont accessibles, la combinaison de condi- tions extrêmes de forts champs magnétiques et basses températures est à l’origine de nombreuses découvertes et a permis des progrès considérables dans la compréhension de ces phénomènes quantiques. L’application de champs magnétiques intenses, en modu- lant les échelles d’énergie caractéristiques des systèmes à électrons fortement corrélés, permet en effet, tout comme la pression ou la température, d’ajuster continûment leurs propriétés fondamentales et d’induire des transitions de phase entre ces états.

Tout aussi importante, la combinaison de la diffusion des rayons x et des neutrons avec des champs magnétiques, bien que longtemps limitée à 17 T, a également permis des avancées majeures en physique de la matière condensée et continue de donner lieu à un très grand nombre d’études. Citons à titre d’exemples la preuve d’une condensation de Bose-Einstein dans le composé antiferromagnétique TlCuCl

[1] ou encore la mise en évidence d’un ordre antiferromagnétique induit par le champ dans les supraconducteurs haut

La

Sr

CuO

[2]. Complémentaires l’une de l’autre, la diffraction des rayons x et la diffraction des neutrons, en donnant accès aux structures cristallines et magnétiques dont dépendent fortement les interactions en jeu dans les systèmes à électrons corrélés, offrent toutes deux l’opportunité d’étudier à l’échelle microscopique les nouveaux états quantiques de la matière induits par les champs magnétiques intenses.

Parmi les questions abordées en physique de la matière condensée qui ont stimulé le développement des expériences de diffraction sous champs intenses, on peut citer par exemple :

– La recherche d’un ordre en compétition, ou coexistant avec la supraconductivité

dans les supraconducteurs à haute

. La découverte des changements de topologie

de la surface de Fermi mis en évidence à forts champs et basses températures

par des mesures d’oscillations quantiques [3] et de coefficient de Hall [4] dans le régime sous-dopé des cuprates YBa

Cu

O

(YBCO) a, en effet, motivé une intense activité de recherche pour déterminer l’origine de cette reconstruction. La présence d’un ordre onde de densité de charges induit par le champ magnétique a depuis été démontrée par des mesures RMN [5]. Ce résultat a déclenché une série d’études par rayons x qui a révélé qu’un ordre bidimensionnel (2D) onde de densité de charges existait à champ nul à l’intérieur des plans CuO

, en compétition avec la supraconductivité et était une propriété universelle des cuprates modérément dopés [6–9]. Plus récemment, des expériences de diffraction des rayons x sur source XFEL en champs magnétiques jusqu’à 28 T ont permis l’observation, sous l’application d’un champ magnétique supérieur à 15 T, de corrélations supplémentaires entre charges le long de l’axe

aux plans CuO

dans YBCO [10]. Celles-ci sont souvent considérées comme un ordre de charge tridimensionnel (3D) de type onde de densité de charges qui coexisterait avec l’ordre 2D.

– L’étude des transitions métamagnétiques dans les composés à fermions lourds est également un sujet d’importance majeure pour lequel les mesures de diffusion des rayons x ou des neutrons présentent un intérêt. L’existence dans ces composés de deux interactions électroniques fortes en compétition, à savoir l’interaction RKKY et l’hybridation Kondo entre les électrons de conduction et les électrons

presque localisés, qui peuvent être modulées par le dopage, la pression ou sous l’application d’un champ magnétique, conduit à des diagrammes de phase riches et complexes donnant lieu à de nouveaux états originaux comme le régime non liquide de Fermi ou la supraconductivité non-conventionnelle. Sous l’application d’un champ magnétique souvent supérieur à 20 T, nombre de fermions lourds atteignent, après plusieurs transitions de phase magnétiques, un état paramagné- tique polarisé. La diffraction des neutrons à fort champ se montre indispensable à l’étude des propriétés miscroscopiques de ces phases. L’étude du système URu

Si

[11], qui présente une cascade de transitions magnétiques entre 35 et 38 T, en est un exemple d’application qui sera traité au chapitre

– Un autre vaste domaine de recherche, où la diffusion des neutrons en champs in- tenses s’avére particulièrement utile, est celui des systèmes de spins quantiques.

Les systèmes de spins quantiques désignent des matériaux dans lesquels la valeur

des spins est faible (S = 1/2 ou 1) et dans lesquels les couplages dominants sont

des interactions d’échange antiferromagnétique (AF). Dans les systèmes de basses

dimensionnalités (dimère ou trimère de spin, chaîne ou échelle de spin), les fluctua-

tions thermiques et quantiques sont amplifiées et peuvent déstabiliser la transition

vers un état ordonné classique de type Néel. Si le système est frustré, soit par la

géométrie du réseau cristallin, soit par la présence d’interactions en compétition,

l’état fondamental atteint à très basse température sera alors un état dit liquide de

spin en raison de la courte portée des corrélations entre les directions des spins. La

situation est tout aussi complexe sous l’application d’un champ magnétique, qui

peut générer un point critique quantique et induire de nouveaux états quantiques de la matière, comme par exemple la condensation de Bose-Einstein des excita- tions triplets [12], ou encore les phases à plateaux d’aimantation, qui se produisent à des fractions rationnelles de l’aimantation à saturation et sont généralement la signature d’une forte frustration des interactions (antiferro)magnétiques à l’origine de la réduction de l’énergie cinétique des excitations magnétiques.

Parmi eux, le système le plus connu est le composé SrCu

(BO

)

[13, 14], qui présentent pour des champs supérieurs à 27 T de multiples phases à plateaux d’aimantation. Considéré comme le prototype expérimental d’un système de dimères de spins

= 1/2 couplés de façon antiferromagnétique sur un réseau 2D de Shastry-Sutherland [15], son étude est toujours d’actualité. Malgré une forte activité de recherche, la description de la structure magnétique précise de ses plateaux n’est, en effet, pas encore confirmée définitivement, leurs déterminations expérimentales à partir des spectres de RMN [16] étant fortement dépendantes des modèles théoriques [17].

On pourrait encore citer l’étude des transitions métamagnétiques dans les systèmes multiferroïques, et bien d’autres thèmes de recherche. Cette énumération ne peut ce- pendant être exhaustive et ne prétend que donner un aperçu de l’étendue des domaines concernés.

1.1.2 Sources de rayonnement et champs intenses

La combinaison des champs magnétiques intenses aux expériences de diffusion des rayons x et des neutrons contribue ainsi depuis de nombreuses années à la compréhen- sion des phénomènes microscopiques en jeu dans la matière condensée. A ce titre, les cryoaimants supraconducteurs font partie des équipements standards de bon nombre de lignes de lumière synchrotron et spectromètres neutrons. Généralement de type « split- pair » (configuration de Helmholtz d’axe vertical), la tenue mécanique de ces bobines constitue cependant un challenge technique en raison des forces magnétiques considé- rables, proportionnelles au carré du champ magnétique, qui s’exercent entre les deux aimants et rend leurs coûts d’autant plus élevés que leurs performances augmentent.

Ajoutés aux contraintes pour les installer qui croissent tout aussi vite (les forts champs de fuite nécessitant la mise en place d’environnement pratiquement amagnétique), ces paramètres ont longtemps limité à 17 T [18–20] les champs magnétiques fournis aux sources de rayonnement.

La conception et la fabrication par le

(NHMFL), Tallahassee (Floride, Etats-Unis), d’une bobine de type « split-pair » dé-

diée aux expériences de diffraction des rayons x [21] et d’une bobine hybride à champ

horizontal pour les mesures de diffusion neutronique [22, 23], développée en collabora-

tion avec le

(HZB) ont déplacé très récemment cette limite

à 25 et 26 T [24, 25]. Les dimensions de ces dispositifs et la complexité de leur utilisa-

tion demandent toutefois la construction d’infrastructures spécifiques rendant leur usage

encore trop marginal, marginalité accrue par l’arrêt fin 2019 du réacteur BER II (HZB).

Parallèlement aux installations de champs continus, les dispositifs de champs ma- gnétiques pulsés, qui ne nécessitent ni large infrastructure électrique ni système de re- froidissement de forte puissance, représentent une alternative plus économique et plus flexible, dont la pertinence a été largement démontrée ces quinze dernières années. En effet, les projets visant à augmenter la valeur des champs magnétiques sur les sources synchrotrons et neutrons par l’utilisation de dispositifs de champs magnétiques pulsés transportables se sont multipliés, profitant à la fois de la fiabilité et des performances accrues des systèmes de mesure en champs pulsés, mais aussi des nombreuses avancées technologiques en matière de détection et de focalisation des sources de rayonnement.

Les méthodes de diffraction et de spectroscopie d’absorption x sur sources synchro- trons ont été les premières à bénéficier de ces développements grâce à la collaboration entre des laboratoires de recherche en champs magnétiques intenses et plusieurs centres synchrotrons (le LNCMI-Toulouse avec le centre européen

(ESRF) en France, les laboratoires

(ISSP, Japon) et

(IMR, Japon) avec les sources synchrotrons

(APS) aux Etats-Unis). Combinées avec l’utilisation de détecteurs rapides, les sources synchrotrons offrent un flux largement supérieur

aux sources de neutrons

permettant de compenser en partie le « duty cycle »

relativement bas des équipements de champs pulsés. De plus, les expériences de rayons x sont généralement réalisées sur des échantillons de petites dimensions (de l’ordre de la dizaine de microns), ce qui permet une plus grande souplesse dans la conception de bobines et d’environnements cryogéniques de configurations variées.

Constitué de bobines miniatures à courte durée d’impulsion (de 1 à 10 ms) ou de bobines à longue durée d’impulsion (de 20 à 100 ms), solénoïdes classiques [26–28] ou à ouvertures coniques [29], ou encore de bobines de type « split-pair » [30–35], associées à des environnements cryogéniques plus ou moins complexes, pour des mesures sur poudre ou sur monocristal, utilisant différents systèmes de détection (ponctuels ou bidimensionnels), tout un ensemble de dispositifs de champs pulsés transportables a été créé permettant de réaliser des mesures de diffraction [36–40] et de spectroscopie d’absorption x (XAS et XMCD) [41–47] jusqu’à 30 ou 40 T sur une large gamme de rayons x durs (4-35 keV). Plus récemment, ces développements ont été étendus au domaine des x-mous (100 eV-4 keV) pour les spectroscopies d’absorption x, d’abord jusqu’à 20 T [48–51] puis jusqu’à 40 T [52], malgré les conditions particulières requises, et par conséqent les difficultés techniques associées, comme la nécessité de prévoir un environnement échantillon sous ultra-haut vide.

Encouragée par le succès de ces développements, la combinaison diffraction des neu-

1. Typiquement, la ligne ID06 à l’ESRF fournit un flux de l’ordre de 10¹³photons par seconde pour un faisceau monochromatique d’énergie 11 keV.

2. Le Réacteur à Haut Flux (RHF) de l’Institut Laue Langevin (ILL) à Grenoble, de puissance thermique 58.3 MW, délivre le flux de neutrons thermiques continu le plus intense au monde au niveau du modérateur : 1.5 x 10¹⁵neutrons par cm²et par seconde (n.cm⁻².s⁻¹). Cependant le flux de neutrons sur un échantillon est de l’ordre de 10⁷ n.cm⁻².s⁻¹.

3. Le « duty cycle » correspond au rapport temps de mesure/temps total entre deux impulsions de champs.

trons et champs pulsés qui avait été écartée dans un premier temps en raison du faible flux des sources de neutrons a été reconsidérée. Initiés par l’équipe du Prof. Nojiri de l’IMR (université de Tohoku au Japon), les premiers tests de mesure de diffraction des neutrons ont été réalisés au Japon en utilisant des bobines miniatures de 30 T de courtes durées d’impulsion avec un banc de condensateurs de 25 kJ, d’abord sur le site du réacteur de recherche

spallation

[54, 55]. En collaboration avec l’équipe de l’IMR, des dispositifs si- milaires ont également été installés sur les sources neutroniques par spallation

(SNS) [56] aux Etats-Unis et

en Grande-Bretagne. La faisabilité des expériences de diffraction des neutrons en champs pulsés a cependant été vrai- ment démontrée lors de deux expériences [57, 58] effectuées sur le spectromètre IN22 (CEA-CRG) à l’Institut Laue Langevin (ILL, Grenoble) en 2008 et 2009, combinant une mini-bobine, de la taille d’une pièce de deux euros, fabriquée par l’IMR, placée dans un cryostat à flux d’hélium standard (« cryostat orange ») et un générateur de champ pulsé développé par le LNCMI-Toulouse. Malgré le succès de ces expériences, il est apparu absolument nécessaire d’améliorer le rapport temps de mesure en champ/temps total afin d’exploiter plus efficacement le temps de mesure neutron. C’est dans ce contexte que le LNCMI-Toulouse en collaboration avec Louis-Pierre Regnault du Laboratoire de Dif- fraction Neutronique (INAC/SPSMS/MDN, CEA-Grenoble), l’équipe « environnement échantillon » dirigé par Eddy Lelièvre-Berna à l’ILL et Emilio Lorenzo de l’Institut Néel (IN, CNRS-Grenoble) a conçu un nouveau cryoaimant 40 T à longue durée d’impulsion pour la diffraction des neutrons [59], dont les caractéristiques et performances seront décrites au chapitre

Depuis 2005, Le LNCMI-Toulouse a développé deux générateurs mobiles, d’énergie respective 288 kJ et 1.15 MJ, et quatre bobines de champs pulsés (jusqu’à 30 et 40 T) avec leur environnement cryogénique, adaptés aux mesures de diffusion des rayons x ou des neutrons. Dans ce manuscrit, seules les bobines destinées à la diffraction et le générateur transportable 1.15 MJ seront présentés.

Figure1.1: Photo montrant le premier générateur transportable d’énergie 288 kJ, développé par le LNCMI-Toulouse, installé sur la ligne de lumière BM26 à l’ESRF. Il comprend deux bancs de condensateurs entourant de part et d’autre l’unité de contrôle contenant le chargeur (dimensions totales = 1.25 m×1.30 m×2.85 m (H×P×L)).

1.2 Des dispositifs dédiés

1.2.1 Des géométries spécifiques

Dans une expérience de diffraction, satisfaire les conditions de Bragg pour différents angles de diffusion demande de pouvoir modifier la direction des angles des faisceaux incident et diffusé par rapport à l’échantillon. Cela nécessite soit de disposer d’ouver- tures angulaires les plus larges possible pour le passage de chacun des deux faisceaux, soit d’avoir uniquement un large accès angulaire pour le faisceau de sortie et de faire tourner l’échantillon à l’intérieur de la bobine. En dehors des solénoïdes classiques, deux configurations de bobines ont été exploitées pour combiner champs magnétiques intenses et expériences de diffusion synchrotron et neutron :

–

qui permettent des mesures en géométrie Voigt, les faisceaux incident et diffusé étant approximativement perpendiculaires à l’axe du champ magnétique. Dans cette configuration, la bobine est constituée de deux aimants (bobines de Helmholtz d’axe vertical ou « split-pair magnet » en anglais), connectés en série, alignés selon leur axe et placés symétriquement de part et d’autre d’un plan médian horizontal. L’axe vertical de la bobine ainsi formée est utilisé pour insérer le cryostat échantillon alors que l’espace autour du plan médian donne l’ouverture angulaire verticale de la bobine et sert à l’accès des faisceaux x ou neutrons. Bien que la tenue mécanique de ce type de bobine constitue une difficulté majeure pour leur fabrication en raison des forces magnétiques considérables qui s’exercent entre les deux aimants, on les retrouve majoritairement dans les expériences combinant champs intenses et rayonnement x ou neutron notamment parce qu’elles permettent d’atteindre de grands angles de diffusion dans le plan horizontal, et ce même si elles offrent un accès plus restreint en dehors de ce plan.

–

qui permettent des mesures en géométrie Faraday, le faisceau se propageant le long de l’axe du champ à travers le trou résultant du bobinage. Dans ce cas, l’angle maximum entre le faisceau incident ou diffusé et le champ magnétique est limité par le diamètre et la longueur du trou.

Cette configuration limite également l’angle de diffusion 2θ, c’est-à-dire l’angle

entre les faisceaux incident et diffusé. Elle convient donc mieux aux techniques de

spectroscopie XAS et XMCD dans lesquelles le champ magnétique est appliqué

parallèlement à la direction de propagation des rayons x. Malgré des ouvertures an-

gulaires plus réduites que les bobines de type « split-pair », elles offrent l’avantage

de fournir des champs magnétiques plus élevés à énergie similaire, ce qui les rend

également attractives pour les expériences de diffraction. Conçues avec des ouver-

tures coniques [23, 28, 29, 59], certaines d’entre elles présentent des ouvertures

angulaires allant jusqu’à

.

1.2.2 Le générateur transportable 1.15 MJ

Générer des champs magnétiques pulsés intenses nécessite de fournir un grande quan- tité d’énergie (typiquement de l’ordre de 5 MJ pour un champ de 60 T) pendant un temps très court (de l’ordre de 10 ms). Au LNCMI-Toulouse, la solution utilisée est le stockage intermédiaire d’énergie : l’énergie électrique provenant du secteur est accumulée pen- dant une période relativement longue (200 s) dans des condensateurs puis déchargée très rapidement (10 ms) dans l’aimant (fig.

Figure1.2: Schéma électrique d’un dispositif de champs pulsés comprenant un générateur (banc de condensateurs) connecté à une bobine de champ pulsé.

Afin d’amener des champs magnétiques pulsés intenses dans les centres synchrotrons et neutrons, le LNCMI-Toulouse a développé des générateurs transportables relative- ment compacts pour être installés à proximité ou directement sur la ligne de mesure concernée. Pour fournir l’énergie requise par une bobine de type « split-pair » géné- rant un champ magnétique pulsé d’au moins 30 T au niveau de l’échantillon (au ni- veau du plan médian de la bobine), un générateur 1.15 MJ a été fabriqué dans le cadre du projet ANR SySMaF (Diffraction et spectroscopie des rayons X synchrotron sous

de condensateurs (ou unités de stockage d’énergie) et une unité de contrôle. Chaque module de stockage est composé de huit condensateurs 24 kV, à haute densité d’énergie de 250

bar (R

(total) = 2 Ω) et deux limiteurs de courants inductifs (ou inductances de protection

à commande optique, les résistances de décharge (ou résistance de « dump ») et les contrôleurs de courant et de tension. Ce module est également équipé de commuta- teurs pneumatiques donnant la possibilité d’inverser la polarité du champ magnétique.

L’inversion et la charge à tension maximum prennent moins de deux minutes et sont complètement commandées par un ordinateur intégré dans l’unité de contrôle. L’énergie des bancs de condensateurs est déchargée dans la bobine grâce à des thyristors amorcés optiquement. Enfin, pour protéger les bancs de condensateurs d’une défaillance en cas de court-circuit d’un condensateur et éviter une décharge électrique de tous les autres condensateurs dans celui défectueux, les condensateurs ont tous été équipés de fusibles industriels haute tension.

Les trois modules sont montés dans des chassis indépendants en acier de sorte qu’ils

peuvent être transportés à l’aide d’un pont roulant (fig.

Figure1.3: (Photo de gauche) Déplacement dans le hall des guides à l’ILL (Grenoble) d’un banc de condensateur du générateur de champ pulsé 1.15 MJ développé et fabriqué par le LNCMI- Toulouse. (Photo de droite) Installation du générateur sur zone, à proximité du spectromètre trois-axes IN22 (CEA-CRG).

mativement 2000 kg et a pour dimensions 2.00 m×1.60 m×1.20 m (H

de contrôle est légèrement plus petite (1.50 m×1.60 m×1.20 m) et pèse seulement 800 kg.

Les connexions entre les trois unités se font sur des panneaux externes et ne nécessitent

pas l’ouverture des chassis. Le générateur peut ainsi être installé en toute sécurité. Pour

les expériences synchrotrons et neutrons, le générateur est connecté au système de sé-

curité (« Personal Safety System » = PSS) de la cabane de mesure de telle sorte que les

bancs de condensateurs ne peuvent être chargés que lorsque que tous les utilisateurs ont

quitté la cabane de mesure et que la fermeture de la porte est enclenchée.

Diffraction des rayons x en champs magnétiques intenses pulsés

Offrant de loin la résolution la plus élevée, le signal absolu le plus intense et le meilleur rapport signal sur bruit, la diffraction par un monocristal en faisceau monochromatique est parmi toutes les techniques de rayons x la méthode de premier choix pour l’étude des signaux faibles et des petits changements structuraux provoqués par des perturbations extérieures telles que la température, la pression ou le champ magnétique.

Souvent anisotropes, les effets du champ magnétique demandent d’appliquer le champ selon un axe cristallographique spécifique, ce qui ne peut être réalisé qu’à partir d’échantillons monocristallins. A cela s’ajoute la nécessité d’avoir un accès optique sur une large gamme angulaire pour accéder à de nombreux angles de diffusion, et conduit souvent à privilégier des bobines de type « split-pair » pour les expériences de diffraction en champs magnétiques.

2.1 Dispositif expérimental

Dans le cadre du projet ANR SySMaF (Diffraction et spectroscopie des rayons X syn-

collaboration avec l’ESRF (Grenoble) et le Laboratoire de Cristallographie de Grenoble a développé une bobine de type « split-pair » et un cryostat échantillon conçus spécifi- quement pour les mesures de diffraction des rayons x synchrotron par un monocristal.

Comparée aux aimants du même type développés par les équipes concurrentes [30–34], la bobine LNCMI génère un champ magnétique vertical de valeur maximale 31 T avec une durée d’impulsion deux à soixante fois plus longue et un temps de montée en champ de 16.5 ms, ce qui a pour avantage de réduire les échauffements par courants induits et compense aussi le temps de refroidissement plus court des autres dispositifs (∼ 10 à 20 min entre deux impulsions pour les autres bobines à champ vertical [31, 32, 34]

comparés à 30 min pour notre bobine). Elle offre également une gamme angulaire plus large de

en 2θ dans le plan de diffusion horizontal. Le cryostat échantillon inséré dans cette bobine permet, quant à lui, de faire varier la température de l’échantillon de 1.5 à 300 K.

2.1.1 La bobine « split-pair » 31-T

Elle est composée de deux bobines constituées chacune de 36 couches de 13 spires.

Le choix du matériau pour le fil résulte d’un compromis entre une faible résistivité pour

limiter les échauffements de la bobine et une résistance à la traction élevée pour résister

aux forces magnétiques. Un conducteur à base de cuivre, renforcé par des filaments de NbTi et isolé par du Kapton, a été utilisé. Ses caractéristiques sont décrites dans la référence [35].

Le diamètre du trou de la bobine et l’espacement entre les deux bobines déterminent le volume utilisable pour l’échantillon et son environnement cryogénique. Des pièces en acier inoxydables ont été insérées entre les deux bobines pour supporter la pression (∼ 200 MPa) résultant de l’attraction induite par les forces de Lorentz sur les deux bobines. Ces pièces ont été usinées de manière à laisser des secteurs ouverts de 16

dans le plan médian pour le passage du faisceau de rayons x, alternant avec des secteurs fermés de 14

(figs.

et

mécanique interne, une fine couche de Teflon et 2 mm d’un composé de résine époxy et de fibre de verre (FR4/GR10) ont été ajoutés entre les bobines et les pièces en acier.

Figure 2.1: Coupe transversale de la bobine

« split-pair ».

Figure2.2: Vue 3D de la bobine « split-pair ».

Les accès optiques pour le passage du faisceau de rayons x dans le plan médian sont représen- tés par les secteurs en rouge.

Figure 2.3: Photos montrant le montage de la bobine « split-pair » dans la partie basse du bain d’azote. Ce cryostat est équipé de fenêtres en Kapton étanches au vide et transparentes aux rayons x, distribuées tout autour du Dewar. Elles correspondent aux secteurs ouverts de 16^◦ prévus pour le passage du faisceau de rayons x et sont visibles sur la photo de droite.

Avec une hauteur de 50 mm par bobine, et un espace entre les deux bobines de 20 mm,

l’aimant « split-pair » fait une hauteur totale de 120 mm et a un diamètre intérieur de

22 mm et un diamètre extérieur de 200 mm. Au centre de l’aimant, l’espace disponible

pour l’échantillon est de

secteur ouvert est de

(figs.

et

= 35 mH et sa

résistance est de 192 mΩ à la température de l’azote liquide et de 1650 mΩ à température

ambiante.

Utilisé avec le générateur 1.15 MJ, il peut générer un champ magnétique vertical d’une valeur maximale de 31 T en position échantillon. L’impulsion de champ est carac- térisée par une durée totale de 60 ms avec un temps de montée de 16.5 ms (fig.

Ce champ est relativement long par rapport aux autres dispositifs de champ pulsé dé- veloppés pour les expériences de diffusion des rayons x et des neutrons, avec plus de 4.5 ms passés au-dessus de 98% de la valeur maximale du champ. De plus, le champ produit au centre de l’aimant est très homogène sur des dimensions bien supérieures à celles des monocristaux sondés par rayons x (qui sont de l’ordre de quelques centaines de microns à un ou deux millimètres), avec des variations de moins de 3% sur

le long de l’axe vertical de la bobine et de moins de 0.5% radialement (sur un rayon de 3 mm) (fig.

(∼ 480 kJ), et conduit à une augmentation de sa résistance électrique après le tir d’envi- ron 250 mΩ. Cette augmentation correspond à un échauffement de la bobine d’environ 40 K et demande une demi-heure de refroidissement entre deux tirs pour retourner à sa température d’utilisation de 90 K.

Figure2.4: (a) Profil temporel du champ magnétique pulsé produit par la bobine « split-pair » pour différentes tensions de charge. Les lignes pointillées verticales délimitent la durée pendant laquelle le champ est supérieur à 98% de sa valeur maximale pour la tension de charge considérée.

(b) Homogénéité du champ magnétique pulsé calculée à partir du centre de la bobine : (à gauche) le long de l’axe vertical de la bobine, (à droite) radialement.

2.1.2 Environnement cryogénique de la bobine « split-pair »

L’aimant « split-pair » est intégré dans un cryostat à bain d’azote liquide développé

par le service cryogénie du LNCMI-Toulouse. Ce cryostat est équipé de douze fenêtres en

Kapton étanches au vide et transparentes aux rayons x (feuilles de 120

pour le passage des faisceaux incident et diffusé. Ces dernières sont distribuées tout autour du Dewar et correspondent aux secteurs ouverts de 16

usinés dans les pièces en acier séparant les deux bobines (figs.

et

Figure2.5: Vue 3D de la bobine « split-pair » et de son environnement cryogénique.

Un cryostat à

He inséré le long de l’axe vertical de la bobine permet de faire varier la

température de l’échantillon de 1.5 à 300 K. Comme on peut le voir sur la figure

cryostat est constitué de deux bains (le bain principal (réservoir 1 de 3 l) et le bain 1.5 K

(réservoir 2 de 0.4 l)), d’un échangeur de chaleur à 2.5 K et d’un chauffage pour réguler

la température. Il inclut également une boucle de circulation qui permet de travailler en

circuit fermé, augmentant ainsi l’autonomie d’utilisation à basse température. Dans un

cryostat à deux bains tel que celui-ci, le bain du haut sert de réserve d’

He liquide alors

que le bain du bas est pompé pour atteindre les basses températures. Grâce au petit

volume du bain du bas, le refroidissement jusqu’à 1.5 K est très rapide et consomme peu d’

He liquide. Une description détaillée du cryostat échantillon et de son fonctionnement est donnée dans l’article [35].

Pour permettre un chargement rapide et en toute sécurité de l’échantillon, le cryostat échantillon comprend également un système de chargement de l’échantillon qui sépare l’espace échantillon du bain contenant l’

He liquide (voir fig.

d’un tube permettant un chargement par le haut et traversant le cryostat à

He dans toute sa longueur (depuis le haut du cryostat à température ambiante jusqu’à proximité du centre du champ magnétique). Il est équipé d’un système de fermeture sous vide.

L’extrémité du tube de chargement de l’échantillon se termine par une capsule en Torlon, matériau thermoplastique relativement transparent aux rayons x, d’épaisseur 800

collé au tube avec de la Stycast 2850 FT, et constituant la zone échantillon. Cette dernière et le tube de chargement ont été conçus pour être facilement mis sous vide, puis chargés avec quelques cm

d’

He gazeux à température et pression ambiante. Lorsque le cryostat échantillon est rempli, la surface externe du tube de chargement est en contact direct avec l’

He liquide de la queue du cryostat alors que sa surface interne est en contact avec le gaz d’échange. L’échantillon est donc refroidi par le gaz d’échange à la température du bain.

Figure 2.6: Schémas du porte-échantillon : (à gauche) coupe transversale du porte-échantillon inséré dans la capsule du cryostat à ⁴He, (à droite) vue de face. Le capteur de température est collé à côté de l’échantillon et est connecté à un contrôleur de température de type Lakeshore 340 par l’intermédiaire de la canne de mesure à laquelle le porte-échantillon est vissé. Un flux de gaz d’échange circule autour de l’échantillon grâce à des trous percés (non dessinés ici) dans la canne de mesure et dans le porte-échantillon.

Enfin, la capsule située à l’extrémité du cryostat et le porte-échantillon sont cou- plés afin d’empêcher les mouvements de l’échantillon (rotation et/ou translation) qui pourraient être induits par le champ magnétique pulsé. Ils sont tous les deux fabriqués dans du Torlon afin d’éviter la formation de courants induits dans le porte-échantillon.

La partie haute de chacun de ces éléments est conique (voir fig.

de bloquer physiquement le porte-échantillon à l’intérieur du cryostat à

He après avoir orienté l’échantillon en position de Bragg. Une canne de mesure, à laquelle le porte- échantillon est vissé, permet d’insérer, d’aligner et d’orienter l’échantillon au centre de la bobine depuis le haut du cryostat. Le porte-échantillon est ensuite bloqué, grâce à sa forme particulière, dans la partie inférieure du cryostat pour éviter tout mouvement de balancier de la canne porte échantillon. La canne est elle-même équipée d’une sonde de température calibrée de type Cernox 1050-SD, d’une bobine pickup et d’un enroulement de fil de Manganin servant de chauffage pour réguler la température. Pour améliorer la conductivité thermique, une fine plaquette de saphir (d’épaisseur

400

tement collée sur le porte-échantillon. L’échantillon et le capteur de température sont eux-même collés sur cette plaquette avec du vernis GE (General Electric).

2.1.3 Le dispositif de champs pulsés sur la ligne de lumière ID06 Les tests de mise en fonctionnement de la bobine « split-pair » ainsi que les expé- riences de diffraction des rayons x par des monocristaux en champs pulsés ont été réalisés sur la ligne de lumière ID06 (ESRF, Grenoble, France) par campagnes de mesure d’une semaine au cours des années 2010 à 2013.

Figure 2.7: Cryoaimant 30-T « split-pair » installé sur le diffractomètre six-cercles de la ligne ID06 (ESRF, Grenoble).

Figure 2.8: Photo montrant le générateur 1.15 MJ installé dans une cage à proximité de la cabine expérimentale et de la station de tra- vail de la ligne ID06.

Le dispositif source de la ligne ID06 est un onduleur (de période 18 mm et de gap

minimum 6 mm) offrant la possibilité de travailler avec des rayons x d’énergie comprise

entre 11 et 55 keV. Un double cristal monochromateur de Si (111) refroidi à l’azote liquide permet de sélectionner les photons avec une largeur de bande spectrale

1.4×10

. Le flux maximum de photons qui peut être atteint sur cette ligne est d’environ 2

10

photons/s à 11 keV.

L’ensemble bobine et cryostat (fig.

dans la cabine expérimentale 2 (EH2) sur un diffractomètre six-cercles identique à celui de la ligne ID20 [60]. Le générateur 1.15 MJ est installé dans une cage à l’extérieur de la cabine expérimentale (fig.

tension.

Pour les expériences de diffraction des rayons x en champs pulsés, deux types de détecteurs sont principalement utilisés : soit des détecteurs ponctuels [30, 33] de type photodiode, soit des détecteurs bidimensionnels (2D) [26, 28, 31, 36, 37, 10]. En champ nul, l’utilisation d’un détecteur ponctuel est généralement privilégiée pour la déter- mination précise des paramètres cristallographiques (paramètres de maille, largeur de raies, mosaïcité). Un détecteur ponctuel mesure en effet un angle de diffusion à la fois et permet par balayage angulaire (θ ou

de reconstruire très précisément les profils de raie. Les détecteurs 2D sont, quant à eux, plus généralement utilisés pour collecter rapidement un grand nombre de données pour la résolution des structures cristallographiques (positions atomiques, facteurs de Debye-Waller, etc...) et l’étude des transitions de phases (changement de symétrie). Une grande quantité d’images mesurant plusieurs réflexions simultanément est enregistrée, en changeant progressivement l’orientation de l’échantillon monocristallin par de petites variations angulaires dans les 3 directions de l’espace, tout en modifiant régulièrement la position du détecteur. Dépendante de la taille des pixels, la résolution angulaire d’un détecteur 2D est généralement inférieure à celle d’un détecteur ponctuel.

En champ magnétique pulsé, compte tenu de la durée relativement courte des im- pulsions, il n’est pas possible de faire des balayages angulaires

ou

ni de modifier l’orientation du cristal pendant une impulsion. Les mesures de diffraction sont donc effectuées à vecteur de diffusion

fixe correspondant généralement au maximum d’in- tensité d’un pic de Bragg. Suivant le type de mesure à réaliser, nous avons utilisé soit un détecteur ponctuel photodiode, soit un détecteur 2D rapide. Avant la mesure sous champ, les échantillons sont orientés et collés sur le porte-échantillon dans une orienta- tion spécifique, généralement de manière à avoir un axe cristallographique parallèle au champ magnétique vertical. Une fois introduit dans la bobine, l’échantillon est tourné autour de cet axe par rotation soit de l’ensemble du cryoaimant, soit de la canne porte- échantillon jusqu’à amener l’échantillon en position de diffraction afin de mesurer le maximum d’intensité du pic de Bragg correspondant sur le détecteur positionné face à un secteur ouvert du cryoaimant. Les réflexions sont mesurées principalement dans le plan de diffraction horizontal. Le montage du détecteur sur le cercle

du diffractomère permet de récupérer les réflexions en dehors du plan horizontal, dans la limite donnée par l’ouverture angulaire dans la direction verticale de la bobine « split-pair » de

(figs.

et

La distribution homogène des 12 secteurs ouverts de la bobine permet de mesurer

aussi bien en transmission qu’en réflexion (fig.

Figure 2.9: Schéma en vue de dessus du plan médian de la bobine « split-pair » montrant les ouvertures angulaires permettant le passage des faisceaux incident et diffusé. Les secteurs aveugles aux rayons x sont colorés en bleu. A titre d’exemple, la direction des faisceaux incident et diffusé, représentée par les flèches rouges, est donnée respectivement par les vecteurs d’onde k_i etk_f dans le cas d’une mesure en réflexion.

suite, les mesures en réflexion ont été privilégiées.

En champ magnétique pulsé, la mesure à vecteur de diffusion

fixe permet d’ac- cèder à la variation d’intensité de la position de Bragg sondée en fonction du champ, dans l’hypothèse où l’échantillon ne subit pas de déplacement pendant toute la durée de l’impulsion. Cette estimation est cependant principalement qualitative puisqu’elle ne donne pas accès à l’intensité intégrée de la raie de Bragg. L’utilisation d’un détecteur 2D permet la mesure de plusieurs réflexions simultanément pendant une impulsion de champ magnétique. Il faut cependant faire attention : seule la réflexion, pour laquelle la position du détecteur et l’orientation de l’échantillon ont été optimisées, est à son maximum d’intensité à champ nul. Les variations relatives de l’intensité des réflexions observées peuvent malgré tout mettre en évidence des changements de symétrie ou des déplacements de raie (si la résolution angulaire est suffisante) en fonction du champ.

Actuellement, la ligne ID06 n’accueille plus les dispositifs de champs pulsés bien que les différents cryoaimants développés fonctionnent encore. Cette ligne est main- tenant dédiée aux mesures rayons x sous très haute pression (http://www.esrf.eu/

home/UsersAndScience/Experiments/MEx/id06-large-volume-press.html) et aux

mesures de microscopie des rayons x en champ noir.

2.2 Caractérisation des vibrations et stabilité angulaire

La diffraction des rayons x par un monocristal en champs magnétiques pulsés est

plus difficile à réaliser que les autres techniques de diffraction, comme la diffraction

Laue en faisceau blanc ou la diffraction de poudre. Elle nécessite en effet un alignement

très précis de l’échantillon et est par conséquent beaucoup plus sensible aux vibrations

introduites par les forces électromagnétiques induites par le champ. La faible divergence

du faisceau incident monochromatique délivré sur la ligne ID06 permet d’atteindre une résolution angulaire de 0.001

sur la position en angle

entre le plan réticulaire et le faisceau incident de rayons x.

Ainsi, une rotation même minime de l’échantillon aura pour effet une diminution dramatique de l’intensité diffusée. Le cryoaimant et le diffractomètre doivent donc être optimisés pour réduire les vibrations afin de rendre compatible la diffraction des rayons x par un monocristal et les champs magnétiques pulsés. Dès les premiers tests de la bobine

« split-pair » sur ID06, nous nous sommes heurtés à cette difficulté. Avec l’aide de Xavier Fabrèges, alors post-doctorant au LNCMI-Toulouse (Nov. 2010- Juillet 2013), nous avons développé des techniques pour quantifier et réduire les vibrations dues aux impulsions de champs magnétiques avec pour objectif de minimiser leurs effets de rotation-translation de l’échantillon. Afin d’estimer l’amplitude des vibrations de manière suffisamment sen- sible, l’ensemble des tests a été réalisé sur des monocristaux de silicium collés à la place de l’échantillon. Le silicium présente en effet des raies de Bragg de largeur très fine (FWHM

0.003

0.005

) invariantes sous champ, ce qui fait de lui le matériau idéal pour déterminer la stabilité du dispositif expérimental. Les intensités diffractées ont été mesurées à l’aide d’une photodiode montée sur le bras 2θ du diffractomètre et enregistrées sur un oscilloscope numérique (HIOKI Memory HiCorder modèle 8860), simultanément à la tension de charge et de décharge des condensateurs, au courant dans la bobine (par l’intermédiaire de la mesure de la tension aux bornes d’une résistance de shunt intégrée au générateur (voir fig.

sur la canne de mesure. Des fentes motorisées placées en amont du détecteur photo- diode et à 70 cm de la position de l’échantillon ont également été utilisées pour ajuster la résolution longitudinale en 2θ. Du fait de la faible largeur des raies des cristaux de silicium et de la faible divergence du faisceau incident de rayons x, cette configuration est extrêmement sensible aux rotations de l’échantillon pendant l’impulsion dechamp magnétique.

Une des sources principales des vibrations identifiées sur la ligne ID06 résultait des courants induits se propageant dans les parties en aluminium du diffractomètre. Afin d’augmenter la distance entre celles-ci et le centre du champ, et réduire ainsi les forces répulsives générées par les courants induits, plusieurs pièces en aluminium, comme le plateau du goniomètre et les étages de translation

et

du diffractomètre, ont été rem- placées par des pièces de hauteurs équivalentes fabriquées dans un matériau composite de fibre de verre-époxy (FR4/GR10). Ces modifications ont permis d’éloigner de plus de 49 cm les parties restantes en aluminium du centre de la bobine. Courants induits et forces correspondantes ont ainsi été suffisamment affaiblis pour ne plus empêcher les mesures.

A titre d’exemple, l’évolution temporelle de l’intensité diffractée par la raie de Bragg

(8 0 0) du Si (FWHM(θ)≈ 0.004

) est montrée figure

pour différentes amplitudes de

champs magnétiques pulsés : 14, 21 et 31 T. L’intensité commence à osciller 9 ms après le

déclenchement du champ magnétique. Toutefois, la variation d’intensité ne dépasse pas

17% pendant la première moitié de l’impulsion (c-à-d jusqu’à 28 ms après le début de

l’impulsion). Ensuite, entre 28 et 60 ms, l’amplitude des oscillations augmente, l’intensité

devenant même nulle pour une impulsion de champ de 31 T. Malgré cela, l’orientation

Figure2.10: (à gauche) Evolution temporelle de l’intensité diffractée par la raie de Bragg (8 0 0) du Si (FWHM(θ)≈0.004^◦) pour différentes amplitudes de champs magnétiques pulsés mesurée avec une énergie incidente des rayons x E = 31 keV (λ= 0.40 Å). La courbe de couleur bleue correspond au profil temporel du champ magnétique. (à droite) Rotation correspondante de l’échantillon en fonction du temps.

de l’échantillon est maintenue puisqu’on retrouve la totalité de l’intensité sans aucune oscillation une seconde après l’impulsion (non montrée sur le figure).

Les variations d’intensité mesurées à des angles légèrement plus bas ou plus haut que la position de Bragg nous ont permis d’attribuer les oscillations de l’intensité à des mouvements de rotation de l’échantillon. Considérant la largeur à mi-hauteur et la forme pseudo-Voigt des raies de Bragg, il a été relativement facile de remonter à l’amplitude de la rotation correspondante (fig.

rotation de l’échantillon reste toujours inférieure à

pendant la première moitié de l’impulsion et ne dépasse pas

à champ maximum, valeur bien en-dessous de la mosaïcité de la plupart des monocristaux dont l’étude a un intérêt en champ magnétique (par exemple, la plupart des composés intermétalliques ont une mosaïcité

>

0.05

). En revanche, dans la seconde partie de l’impulsion, la rotation de l’échantillon dépasse 0.004

dans le cas de l’application du champ maximum.

Ces résultats montrent qu’il n’est pas possible d’étudier, avec notre dispositif expé-

rimental, les variations d’intensité diffractée par des échantillons très bien cristallisés,

i.e. présentant une mosaïcité inférieure à 0.005

, sur toute la durée du champ. Il permet

malgré tout d’aborder un grand nombre de problématiques en champ magnétique. Il est par ailleurs important de noter que la durée d’impulsion utilisable (définie ici comme la durée pendant laquelle la rotation de l’échantillon est inférieure à

), à savoir 28 ms, est tout de même 5 fois plus longue que celle fournie par les autres dispositifs de mesure dédiés aux expériences de diffraction sur monocristaux [31, 32, 34, 28]. Cette longue durée d’impulsion permet la mesure d’échantillons métalliques qu’il est plus dif- ficile, voire impossible, d’étudier avec des impulsions courtes (du fait des échauffements résultant des courants induits), ainsi que la mesure de signaux faibles comme les pics de surstructure, l’échantillon pouvant être exposé plus longtemps aux rayons x pendant une impulsion.

D’autres efforts ont été réalisés pour réduire encore plus les vibrations - comme par exemple, découpler le cryostat-bobine du diffractomètre à l’aide d’absorbeurs visco- élastiques, ou encore augmenter la rigidité du diffractomètre par des renforts externes - mais aucun d’eux n’a conduit à des améliorations aussi significatives que celles reportées ci-dessus.

2.3 Acquisition des données avec un détecteur 2D

Bien que peu coûteux et d’utilisation facile, les détecteurs ponctuels, ne mesurant qu’un seul angle de diffusion par impulsion de champ magnétique, ne sont pas adap- tés à l’étude des transitions cristallographiques induites par le champ magnétique. Les détecteurs 2D rapides permettent en revanche de suivre simultanément les variations d’intensité de plusieurs réflexions de Bragg pendant une impulsion [31, 32]. Dans le cas de l’étude présentée ci-après, nous avons utilisé un détecteur 2D à pixels MAXIPIX [61]

en mode « single chip » (256×256 pixels, avec une taille de pixels de 55µm×55µm). Dans ce mode d’acquisition, avec le détecteur monté sur le bras

du diffractomètre, à une distance de l’échantillon de 53 cm, nous avons pu couvrir une largeur angulaire d’environ

±0.8^◦

dans les directions verticale et horizontale, avec une résolution angulaire en 2θ de 0.006

(correspondant à la taille des pixels). Pour certaines mesures, le détecteur a été positionné à 85 cm de l’échantillon, augmentant ainsi la distance échantillon-détecteur et améliorant la résolution à 0.0037

, mais réduisant la gamme angulaire dans les deux directions à

.

La fréquence d’acquisition élevée de ce type de détecteur s’accorde parfaitement

avec la structure temporelle des champs pulsés et permet d’enregistrer plusieurs images

pendant une impulsion de champ magnétique [62]. En synchronisant l’enregistrement des

données avec le déclenchement du champ, il est ainsi possible de suivre l’évolution des

réflexions de Bragg en fonction du temps pendant une impulsion de champ magnétique

comme illustré figure

1.4 ms, avec un temps de transfert des données de 0.6 ms conduisant à une fréquence

d’acquisition de 500 Hz. Grâce à ce mode d’acquisition, 50 images ont été enregistrées

pour chaque impulsion de champ magnétique afin de couvrir les 60 ms de champ, des

images étant également prises avant et après l’impulsion pour s’assurer de la stabilité

des mesures.