“Comment se forment les petits diamants”

Les diamants sont créés sous très haute pression. Cela se produit probablement non seulement à l’intérieur de la Terre, mais aussi à l’intérieur des planètes de glace comme Neptune ou Uranus. On soupçonne depuis longtemps que des hydrocarbures à longue chaîne forment du méthane à l’intérieur de ces géantes de glace. Mais leur stabilité et les conditions dans lesquelles ils se séparent en carbone – c’est-à-dire en diamant – et en hydrogène ont jusqu’à présent été controversées. Clemens Prescher de l’Université de Fribourg rend compte de nouvelles expériences au XFEL européen à Hambourg, avec lesquelles cela a pu être observé pour la première fois en haute résolution temporelle.

Monde de la physique : Quelles conditions doivent exister pour que les diamants se forment ?

Clemens Prescher : La rapidité avec laquelle le diamant se forme à partir des hydrocarbures dépend de la combinaison de la pression et de la température. Une fois formée, la pierre précieuse est chimiquement extrêmement stable. Nous avons mené nos expériences à des pressions comprises entre 19 et 27 gigapascals. Cela correspond à une profondeur d’environ 500 à 700 kilomètres sous la surface terrestre. À des températures supérieures à 2 200 degrés Celsius, nous avons pu observer la formation de petits cristaux de diamant.

Quelles méthodes existe-t-il pour étudier expérimentalement la formation des diamants ?

Il existe pour cela deux méthodes très différentes. Chacun a ses avantages et ses inconvénients. La première méthode est la compression par choc, dans laquelle un échantillon contenant des hydrocarbures est bombardé par des impulsions laser très fortes et courtes. Cela crée une onde de choc dans le matériau, produisant des pressions et des températures si élevées que de minuscules diamants peuvent se former. La deuxième méthode que nous avons utilisée dans nos expériences repose sur le fait qu’une pression extrêmement élevée peut être générée en permanence dans des cellules dites diamantées. Ces cellules exploitent la dureté du diamant en comprimant l’échantillon entre deux pointes de diamant. La chaleur peut ensuite être appliquée de l’extérieur, par exemple avec un laser ou un puissant faisceau de rayons X, de sorte que le diamant soit formé à partir du matériau contenant des hydrocarbures.

Quelle était la particularité de vos nouvelles expériences ?

Jusqu’à présent, de telles expériences sur des cellules à enclume de diamant devaient faire face au problème suivant : les analyses ne pouvaient être effectuées qu’avec une résolution temporelle insuffisante. Nous avons désormais profité des possibilités uniques du XFEL européen. Ce laser à électrons libres produit un faisceau de rayons X très brillant avec des impulsions très rapides, ce qui était idéal pour nos besoins.

Pourquoi cette radiographie est-elle si adaptée à vos expériences ?

L’intensité des impulsions de rayons X sur la cellule européenne à enclume de diamant pourrait tout simplement éclater. Mais il est vite apparu que ce n’était pas le cas. Outre la haute intensité, la courte distance entre les impulsions de cette source de rayons X est également très avantageuse : les impulsions de rayons X intenses frappent l’échantillon à une fréquence de 4,5 mégahertz. Il n’y a que 220 nanosecondes entre chaque impulsion de rayons X, soit 220 milliardièmes de seconde. Aucune autre source de rayons X au monde ne peut faire cela. Et l’instrument appelé HED-HIBEF dispose également d’une caméra à rayons X suffisamment rapide pour prendre des images de l’échantillon irradié à cette fréquence.

Station d’expérimentation au XFEL européen

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Quel type d’échantillon avez-vous examiné ?

Nous avons placé du polystyrène, un plastique disponible dans le commerce, ainsi qu’une fine feuille d’or dans la cellule d’estampage au diamant. La feuille d’or servait d’élément chauffant car elle absorbe mieux l’énergie des impulsions de rayons X que le polystyrène. Lorsque les impulsions de rayons X ont frappé l’échantillon, les vingt premières impulsions ont fait chauffer l’échantillon à plus de 2 200 degrés Celsius. Ceci, combiné à la haute pression, suffit à former un diamant.

Qu’as-tu mesuré exactement alors ?

Pour la première fois, nous avons documenté la création de diamants à partir d’hydrocarbures sous la forme d’un court métrage, pour ainsi dire. Nous avons envoyé 352 impulsions de rayons X sur une période d’environ 70 microsecondes, soit 70 millionièmes de seconde. Peu de temps après la phase de chauffage, nous avons observé des diagrammes de diffraction caractéristiques dans le détecteur de rayons X indiquant la présence de cristaux de diamant. De minuscules diamants se sont déjà formés sur une courte période d’environ 30 microsecondes. Ces résultats constituent un lien important entre les expériences précédentes sur des cellules à enclume de diamant et les expériences de choc mentionnées précédemment, nous donnant une compréhension plus précise de la formation du diamant à partir d’hydrocarbures.

Et qu’est-ce que vos résultats ont à voir avec les géants de glace ?

Il est désormais clair que des pressions et des températures plus basses sont nécessaires pour former des diamants que ce que l’on pensait auparavant sur la base des expériences de choc. Cela présente un intérêt notamment pour la recherche planétaire. Les exigences plus faibles en matière de pression et de température suggèrent que la formation de diamants peut se produire non seulement dans les géantes de glace telles qu’Uranus ou Neptune, mais également dans les planètes de glace plus petites, appelées mini-Neptunes. Environ un tiers des exoplanètes découvertes jusqu’à présent appartiennent à cette catégorie. La formation de diamants devrait conduire à une « pluie de diamants » à l’intérieur de ces planètes en raison de leur densité plus élevée par rapport aux composants environnants. Ce processus pourrait notamment être une clé pour expliquer les champs magnétiques complexes de Neptune et d’Uranus. Nos nouveaux résultats de laboratoire fournissent les limites à partir desquelles la « pluie de diamants » pourrait commencer à la profondeur de la planète. Cela permet de modéliser et de comprendre ces processus plus précisément.