Pages scientifiques 2005

28 novembre 2005

Spin polarized transport in artificial structures. Iron and aluminium oxides epitaxial growth

DSM/DRECAM/SPCSI - Oxides group

Spin electronics is a new field of research which associates two domains of physics: magnetism and electronics. In the last decade, effects related to spin dependent transport like giant magnetoresistance (GMR) and tunnelling magnetoresistance (TMR) in magnetic heterostructures have stimulated a considerable interest. These physical properties can be exploited in a variety of advanced devices such as highly sensitive magnetic sensors (e.g. read heads for magnetic recording) and non volatile magnetic memories (MRAM). Some ferromagnetic oxides have a 100 % spin polarization (there are half metallic) and thus are promising candidates for applications in spin electronics. The use of half metallic ferromagnets electrodes in magnetic tunnel junctions (MTJs) can lead to TMR effects much higher than those obtained with usual ferromagnetic electrodes. One of the predicted half metallic oxide is magnetite Fe3O4 which exhibits a high Curie temperature (Tc= 858 K) so that one can expect the half metallic character to remain significant at room temperature.

30 septembre 2005

Supraconductivité haut Tc et magnéto-résistance géante

La supraconductivité à haute température et la magnéto-résistance géante sont des propriétés remarquables de certains oxydes. L'étude de leurs propriétés passe par une bonne maîtrise de leur élaboration : ces oxydes sont complexes et de faibles perturbations peuvent considérablement modifier leurs propriétés physiques. - Dans les cuprates supraconducteurs, un effort important est consacré à la compréhension des mécanismes de corrélations électroniques et magnétiques en fonction de la densité de porteurs ou des défauts introduits. - Dans les composés à magnéto-résistance géante, le développement de l’électronique de spin nécessite une meilleure compréhension des corrélations entre les propriétés structurales et électroniques (SPEC).

26 septembre 2005

Croissance épitaxiale de films nanométriques de Fe3O4

La magnétite (Fe₃O₄) est un des seuls matériaux demi-métalliques (conducteur pour un état de spin et isolant pour l'autre) à présenter une température de Curie (T_c= 860 K) très au-dessus de la température ambiante. A ce titre, cet oxyde ferrimagnétique constitue un matériau de choix pour les composants de l’électronique de spin. Dans ce contexte, le SPCSI a mis au point une méthode d'épitaxie par jets moléculaires (MBE) assistée par plasma d'oxygène atomique permettant l’élaboration de couches minces nanométriques de Fe₃O₄ sur des substrats monocristallins de saphir. Les films sont caractérisés in situ pendant et après la croissance par différentes techniques d'analyse de surface: diffraction d'électrons rapides (RHEED) et lents (LEED), spectroscopie de photons X (XPS) et d'électrons (AES).

19 juillet 2005

Reduction of the damping induced by nonlinear effects

G. de Loubens, V.V. Naletov and O. Klein

By measuring simultaneously M_z (the component parallel to the effective field direction) and absorption power, when ferromagnets are excited by microwave fields at high power levels, we found a diminution of the damping with increasing power. These changes are interpreted as reflecting the properties of longitudinal spinwaves excited above Suhl's instability.

Reduction of the damping induced by nonlinear effects

19 juillet 2005

Tight-binding method

The tight-binding (TB) model is a kind of counterpart of the nearly-free electron approximation for which the plane wave basis is the most suited to the delocalized characacter of the elecrons. The approximation of the TB method is to assume that the restricted Hibert space, spanned by atomic-like orbitals is sufficient to describe the wave functions solution of the Schrodinger equation (at least in restricted energy range). Such an atomic-like basis provides a natural, physically motivated description of electronic states in matter. In practice there are many versions of TB, depending on the degree of "ab-initio". Some methods are using true atomic-like orbitals and are calculating all the terms of the Hamiltonian leading to an LCAO method, but there exist a semi-empirical version using fitted parameters. This semi-empirical tight-binding method is particularly simple and instructive since the localized basis is not explicitely specified and one needs only the matrix elements of the overlap and the hamiltonian.

If you want to know more about tight-binding method, have a look at the course given at Cargèse Winter School: Tight-Binding in Cargèse.

19 juillet 2005

Resonant tunneling diodes on silicon

Molecular electronics aims at using individual molecules or small groups of organized molecules as the active part of electronic devices. It takes advantage of the size, the diversity, the quantum properties and the self-organization properties of organic molecules.

In this framework, our goal is to develop circuits based on molecular resonant tunneling diodes (RTDs) on silicon. One of the electrodes is deoxygenated silicon, in order to improve the charge injection within the molecular system. The other electrode is a carbon nanotube, in direct contact with the organic monolayer that constitutes the “active” part of the diode. The whole device will be built thanks to lithographic techniques, both optical and electronic (Figure 1). The organic monolayer is sigma-pi-sigma type, so that the charge transfer from silicon to the carbon nanotube behaves non linearly with respect to the applied bias. That resonant tunnelling effect has already been observed on similar organic systems sandwiched between two metallic electrodes, or with silicon under high vacuum.

18 juillet 2005

Diodes moléculaires sur Silicium

L'évolution prévisible de la microélectronique dans les 10 ans à venir incite les chercheurs et les industriels à explorer des voies alternatives à l'utilisation classique du silicium. L'une de ces voies vise à utiliser comme élément actif des nouveaux dispositifs, soit une molécule unique, soit un ensemble de molécules organisées. Cette électronique moléculaire tire parti des dimensions intrinsèquement nanométriques des molécules, de leur grande diversité, de leurs propriétés quantiques et de leur capacité à s'auto-assembler.
Nous cherchons à réaliser des diodes moléculaires à effet tunnel résonant compatibles avec une intégration au sein de circuits. L’une des électrodes est donc du silicium, débarrassé de son oxyde afin que l’injection de charges soit la plus efficace possible. L’autre électrode sera un nanotube de carbone, en contact avec l’extrémité de la monocouche organique qui constitue la partie « active » du dispositif. La géométrie d’ensemble sera réalisée en utilisant la lithographie optique et électronique (Figure 1).
La monocouche organique est du type sigma-pi-sigma, afin que le transfert de charge du silicium vers le nanotube de carbone soit non linéaire en fonction de la tension appliquée. Ce comportement (effet tunnel résonnant) a déjà été mis en évidence avec des électrodes métalliques, ou sur du silicium sous ultra vide.

13 juillet 2005

Rôle des parois d'antiphase sur les propriétés magnétiques des films de Fe3O4

La magnétite Fe₃O₄ est un des seuls matériaux demi-métalliques (conducteur pour un état de spin et isolant pour l’autre) à présenter une température de Curie (Tc= 860 K) très au-dessus de la température ambiante. A ce titre, cet oxyde ferrimagnétique constitue un matériau de choix pour les composants de l’électronique de spin (têtes de lecture magnétorésistives, mémoires non volatiles MRAM). Ces propriétés permettent de prédire des effets de magnétorésistance tunnel (TMR) importants à température ambiante si on utilise cet oxyde comme électrode dans une jonction tunnel magnétique (JTM).
L'obtention de forts effets de TMR passe néanmoins par la compréhension des propriétés électroniques et magnétiques des films minces de Fe₃O₄ qui se trouvent être très différentes de celles du matériau massif. En particulier les mesures magnétiques montrent que l’aimantation des films à haut champ est considérablement réduite par rapport à celle d’un monocristal et qu’il est impossible d’obtenir la saturation même à fort champ magnétique. La présence de parois d’antiphase (APBs), défaut structural présent uniquement dans les films minces, pourrait être à l’origine de ces comportements.

C’est pourquoi nous avons entrepris d’étudier le rôle des parois d’antiphase sur les propriétés magnétiques des films minces de Fe₃O₄. Pour ceci, des films minces de Fe₃O₄ ont été élaborés par épitaxie par jets moléculaires (MBE) assisté par plasma d’oxygène monoatomique. Les études structurales montrent la parfaite épitaxie des couches. Néanmoins les analyses de microscopie électronique en transmission révèlent aussi l’existence de parois d’antiphase, dont nous avons pu faire varier la densité avec l’épaisseur des films.

15 juin 2005

Mesure de résistance électrique de parois magnétiques

La résistance électrique générée par les parois de domaines magnétiques a pu être étudiée et utilisée pour le suivi du retournement de l’aimantation d’une nanostructure de FePd. L’échantillon a été fabriqué par le Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée (DSM/DRFMC à Grenoble) puis lithographié pour permettre au courant de circuler parallèlement et perpendiculairement aux parois. La figure correspond à une image avec contraste magnétique (MFM) où chaque domaine correspond à une couleur (noir ou blanc selon la direction de l ’aimantation). Entre deux domaines, il existe une paroi magnétique qui génère un petit excès de résistance qu’il est possible de mesurer lors de la disparition successive des domaines sous l’application d’un champ. La mesure de cette résistance à l’échelle nanométrique permet de mieux comprendre la physique du transport électrique dans les ferromagnétiques, nécessaire au développement de capteurs magnéto-sensibles.

15 juin 2005

Généralités sur la Modélisation des surfaces, interfaces et nanostructures

La physique des surfaces et interfaces est un domaine très vaste de la physique de la matière condensée. Son champ d'investigation regroupe l'étude de phénomènes aussi quotidiens que l'étalement d'une goutte d'eau sur une surface solide ou la corrosion d'un matériau, mais aussi de processus moins familiers tels que la nanostructuration "spontanée" d'une surface cristalline ou la conduction entre une pointe métallique microscopique et une surface. La compréhension précise des phénomènes de surface nécessite une description à l'échelle atomique qui fait toute la difficulté de leur modélisation. Les modèles théoriques doivent prendre en compte le caractère atomique de la matière avec une précision suffisante. Trois exemples d'études effectuées au sein du groupe MSIN (Modélisation des surfaces, interfaces et nanostructures) sont présentées dans cet article des Clefs du CEA, illustrant la méthodologie employée. Le premier traite du problème de la forme d'équilibre d'une surface métallique, le deuxième de l'imagerie des surfaces à l'échelle atomique et le troisième de la conduction électrique le long des interfaces conducteur-isolant-semiconducteur utilisées dans l'industrie microélectronique. Voir aussi : Clefs CEA n°47 - Recherche et simulation.

18 février 2005

Injection de spin dans une GMR

G. de Loubens, V.V. Naletov et O. Klein

Des travaux récents ont montré qu'un courant polarisé en spin peut retourner l'aimantation d'une couche mince conductrice. Ce phénomène physique suscite un vif intérêt dans la communauté scientifique à la fois sur le plan expérimental et théorique. Cette injection de spin permet de faire sauter un verrou technologique important dans les dispositifs actuels des MRAM (circuits mémoires magnétiques à accès alatoire). Actuellement, la commutation magnétique de ces composants s'obtient par l'application d'une induction magnétique produite par un courant traversant une ligne conductrice placée à proximité. L'alternative apportée ici s'avère comparativement plus prometteuse car le même circuit est utilisé à la fois pour la lecture et l'écriture réduisant de façon significative la complexité du dispositif tout en évitant les problèmes de "cross-talk" inhérent à un adressage matriciel. Le phénomène physique à l'origine de ce retournement semble être une amplification stimulée d'ondes de spin cohérentes, appelée un SWASER. Cependant nos connaissances actuelles sur ce problème se résument uniquement à des mesures de transport. Par exemple, il n'y a, à l'heure actuelle, aucune mesure de résonance ferromagnétique (RFM) effectuée sur un nano-pilier individuel. En particulier le mécanisme microscopique n'a jamais été explicitement formulé et les paramètres les plus importants à ajuster, ceux qui régissent la relaxation ferromagnétique, n'ont jamais été mesurés proprement. Nous proposons une méthode de mesure originale de la RFM pour obtenir ces paramtres. Il s'agit d'une détection mcanique de la résonance magnétique qui s'inspire des techniques de microscopie en champ proche. La sonde, un aimant permanent de taille nanoscopique, est placée à l'extrmité libre d'un micro-levier très souple. L'ensemble est ensuite plongé dans le champ de fuite de l'échantillon à mesurer. Le couplage est assuré par le champ dipolaire. La charge ponctuelle résultante sur le levier crée alors une déformation élastique de la poutre qui est détectée par un systme optique très sensible. La quantité mesurée est généralement le changement de déformation produit lorsqu'une résonance magnétique est électromagntiquement excitée dans l'échantillon. Le but de notre projet est d'abord de caractériser à l'échelle individuelle le comportement dynamique d'une microstructure magnétique. L'objectif scientifique est d'étudier la cohérence de phase des ondes de spin émises et de comparer le spectre d'excitation avec celui obtenu en résonance ferromagnétique. On essaie de mesurer les modes favorisés par cette injection de spin pour en déduire les règles de sélection. On s'attache aussi à comprendre les comportements à hautes puissances et notamment les modifications spectrales dues aux effets non-linaires.

03 février 2005

Les supraconducteurs à haute température critique (HTSC)

Le composé Bi-2201 surdopé

La phase normale des cuprates supraconducteurs (HTSC) présente des propriétés inhabituelles attribuées à une structure électronique très particulière, elle même à l’origine de la supraconductivité à haute température. Le régime sous dopé du diagramme de phase générique des HTSC (Tc-δ) a suscité un vif intérêt car toutes les propriétés physiques des plans CuO₂ sont anormales par rapport à un liquide de Fermi classique. Par contre la région surdopée a longtemps été négligée car considérée comme ayant le comportement d’un métal conventionnel. Notre étude sur l’évolution de la susceptibilité électronique et du pouvoir thermoélectrique en fonction de la température et du dopage du cuprate Bi-2201 surdopé dans la phase normale, ainsi que de nombreuses publications expérimentales et théoriques récentes, nous ont conduit à remettre en cause ce point de vue. Nous avons choisi le composé Bi-2201 car il est naturellement surdopé et possède une faible température critique, permettant ainsi l’étude de la phase normale sur une large gamme de température. La teneur en oxygène non stoechiométrique δ ,intrinsèquement liée au nombre de porteurs par plans CuO₂, a été déterminée par thermogravimétrie. Les mesures de pouvoir thermoélectrique et de magnétométrie SQUID ont été réalisées sur les mêmes échantillons possédant différentes teneur en oxygène δ . Nous avons tout d’abord montré que la dépendence en température du terme de diffusion Sdiff du pouvoir thermoélectrique et de la susceptibilité de spin χs n’est pas celle d’un liquide de Fermi classique. D’autre part le comportement de Sdiff et χs en fonction du dopage suggère l’existence d’une singularité dans la densité d’état proche du niveau de Fermi.

Les supraconducteurs à haute température critique (HTSC)

18 janvier 2005

Antiferromagnétisme en surface et en volume : NiO(111)

Dans un matériau antiferromagnétique les aimantations portées par les atomes sont tête-bêche de proche en proche ; l’ordre antiferromagnétique s’établit sur des mailles doubles (au moins dans une direction) par rapport aux mailles structurales (figure 1b). Il en résulte une aimantation globale nulle et par conséquent une grande difficulté pour la mesure des propriétés magnétiques, en particulier les méthodes de magnétométrie classiques sont inadaptées. De plus, si on porte son intérêt sur la région de surface (quelques nanomètres) la situation devient encore plus délicate à cause de la réduction géométrique de la quantité de matière sondée ; dans cette limite même les expériences basées sur l’interaction avec les neutrons deviennent difficiles. Cependant, les substrats antiferromagnétiques jouent un rôle primordial dans les capteurs magnétiques modernes (tête de lecture de disques durs, mémoires magnétiques permanentes…) car ils assurent le durcissement magnétique d’une des couches ferromagnétiques du capteur ; la compréhension de ses propriétés est un enjeu important tant d’un point de vue fondamental que dans une approche orientée vers les applications de type électronique de spin. Afin de surmonter ces difficultés et d’appréhender l’antiferromagnétisme sur un matériau modèle comme NiO(111) [A.Barbier et coll., Physical Review Letters 84 (2000) 2897 et Physical Review B 62 (2000) 16056 ] on a proposé une approche expérimentale nouvelle basée sur le rayonnement synchrotron. En effet, celui-ci est fortement et naturellement polarisé dans le plan de l’orbite des particules circulant dans l’anneau synchrotron et seule l’aimantation peut, en interagissant avec les photons, provoquer une modification (rotation de phase) de la polarisation. La géométrie expérimentale (figure 1a) s’inspire à la fois de la diffraction de surface pour laquelle l’angle d’incidence est maintenu fixe et de la diffraction magnétique où un cristal analyseur permet d’identifier la polarisation des photons diffractés. Les expériences ont été réalisées hors résonance avec un cristal analyseur PG(006) à une énergie de photons de 7981 eV. L’angle d’incidence permet de choisir la profondeur sondée et l’analyse de polarisation rend possible la séparation du signal structural du signal magnétique (figure 1c) qui bien plus faible (le minimum de diffusion due à la surface est environ 100 fois plus intense que le maximum de la diffraction magnétique).

13 janvier 2005

Magnétisme d'amas de rhodium et palladium

Le magnétisme de matériaux à basse dimensionalité est un domaine d'un intérêt fondamental et technologique notamment pour l'enregistrement magnétique. Le Rhodium et le Palladium sont deux métaux de transition de la deuxième série tout à fait intéressants à cet égard: ils sont voisins dans le tableau périodique, tout deux sont non-magnétiques dans leur structure de volume CFC, mais présentent une forte susceptibilité magnétique. La basse dimensionalité favorise en général l'apparition du magnétisme car elle tend à localiser les électrons. Les expériences montrent que, malgré leur ressemblance, ces deux éléments ont des comportement magnétiques tout à fait différents, bien reproduits par la nouvelle méthode de liaisons fortes Hartree-Fock dans une base spd, développée au laboratoire. En effet, ces calculs ont permis de mettre en évidence un fort magnétisme des amas de Rhodium jusqu'à des tailles de la centaine d'atomes, alors que les amas de Palladium sont soit non magnétiques, soit très faiblement magnétiques. Cette différence de comportement s'explique notamment par le fait que l'atome libre de Palladium est non-magnétique (configuration 4d10) alors que l'atome libre de Rhodium l'est (configuration 4d85s1). De plus, il ressort de cette étude que le magnétisme des petits amas présente un comportement complexe où plusieurs paramètres jouent un role crucial, comme le caractère discret du spectre énergétique, la symétrie, la coordinance et le nombre d'électrons d par atome. Ces résultats sont en accord avec les calculs ab-initio existants pour les très petites tailles. L'avantage de notre approche est sa simplicité qui a permis d'étudier des systèmes de taille hors de portée (200 atomes et au delà) des méthodes ab-initio.

Références :
C. Barreteau, D. Spanjaard and M.C. Desjonquères. Electronic structure and total energy of transition metals from an spd tight-binding method: Application to surface and clusters. Phys. Rev. B 58, 9721 (1998) .

C. Barreteau, R. Guirado-Lopez, D. Spanjaard, M.C. Desjonquères, and A.M. Oles. spd tight-binding model of magnetism in transition metals: Application to Rh and Pd clusters and slabs. Phys. Rev. B 61, 7781 (2000).

17 janvier 2005

Composite polymères-silice

Les matériaux composites résultent de l'assemblage de deux matériaux dont on essaye de coupler les propriétés. Ainsi beaucoup de matériaux polymères sont renforcés mécaniquement par inclusion de particules dures par exemple le noir de carbone ou la silice dans le caoutchouc des pneus. Le mélange d'une suspension colloïdale de nano-billes de polymère ("latex") et d'une suspension de nano-billes de silice forme un matériau modèle, permettant l'étude des mécanismes microscopiques du renforcement, à l'échelle du nanomètre.

03 août 2005

Conditions of ascent, degassing and extrusion of volatile-rich alkali basalt during the powerful 2002 flank eruption of Mount Etna (Italy)

N. Spilliaert¹, P. Allard^1,2, N. Métrich¹and A.V. Sobolev ³

In October 2002-January 2003 Mount Etna produced a highly explosive flank eruption, with several unusual features, soon after a shorter analogous event in 2001. We decipher the origin and mechanisms of this second eruption from the chemistry and volatile (H₂O, CO₂, S, Cl) content of its bulk products and their olivine-hosted melt inclusions, focussing on the south flank main sequence. Our results demonstrate that powerful lava fountains and dense ash columns during the initial phase of the eruption were sustained by closed system ascent of a batch of primitive, volatile-rich (≥4 wt%) basaltic magma that rose from depths ≥10 km b.s.l.. This magma - the most primitive since 140 years – probably represents the alkali-rich parental end-member responsible for Etna lavas’ evolution since the early 1970s. Its deep input likely pressurised the shallow plumbing system several weeks before the eruption, even though its sudden extrusion through already opened fractures may have been facilitated by eastward flank spreading. In fact, most of the eruption was subsequently fed by the extrusion and degassing of larger but slightly more evolved amounts of the same magma that were ponding at 6-4 km b.s.l., in agreement with seismic data and with the lack of pre-eruptive SO₂ accumulation above the initial depth of sulphur exsolution (~3 km b.s.l.). While ponding, this magma was flushed and dehydrated by a concentrated CO₂-rich gas phase of deeper derivation, a process that may commonly affect the plumbing system of Etna and other alkali basaltic volcanoes elsewhere. 1 Laboratoire Pierre Süe, CNRS-CEA, Saclay, France 2 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Catania, Italy. 3 Max-Planck-Institut f. Chemie, Mainz, Germany Communication: European Geoscience Union General Assembly 2004, session VGP6 Physics and chemistry of volcano degassing Submitted for publication to Journal of Geophysical Research (2005)

03 août 2005

Dynamics of magma mixing and degassing recorded in plagioclase at Stromboli (Aeolian Archipelago, Italy)

P. Landi ¹, N. Métrich ², A. Bertagnini ¹, M. Rosi ³

Crystal-rich materials (scoriae and lava flows) emitted during the 1985-2000 activity of Stromboli were taken into consideration for systematic study of bulk rock/matrix glass chemistry and in particular for the study of chemical and textural zoning of plagioclase, the most abundant mineral phase. Over the considered time period, bulk rock composition remained fairly constant in both major (SiO₂ 49.2-50.9 wt% and K₂O 1.96-2.18 wt%) and trace elements. The quite constant chemistry of matrix glasses also indicates that the degree of crystallization of magma was maintained at around 50 vol%. Plagioclase ranges in composition between An62 and An88 and is characterized by alternating, <10-100 µm thick, bytownitic and labradoritic concentric layers, although the dominant and representative plagioclase of scoriae is An68. The labradoritic layers (An62-70) show small-scale (1-5 µm), oscillatory zoning, are free of inclusions, and appear to record episodes of slow crystal growth in equilibrium with a degassed liquid having the composition of the matrix glass. In contrast the bytownitic layers (An70-An88) are patchy zoned, show sieve structure with abundant micrometric glass inclusions and voids, and are attributed to rapid crystal growth. A key to understand the origin of bytownitic layers can be retrieved from the texture and composition of the coronas of plagioclase xenocrysts, inherited from crystal-rich magma, in nearly aphyric pumice which are erupted during more energetic event and represent a deep, volatile-rich, HK-basaltic magma. They show a continuum from fine-sieve to evident skeletal texture from the inner to the outer part of the corona associated with normal compositional zoning from An90 to An75. In the light of these observations, we propose that input of H2O-rich melt blobs, and their mixing with the residing magma, causes partial dissolution of the labradoritic layers followed by the growth of bytownitic composition whose sieve texture attests of rapid crystallization occurring under undercooling, conditions mainly induced by degassing. As a whole, the zoning of plagioclase in the scoriae records successive and discrete intrusions of volatile-rich magma blobs, its degassing and mixing with the resident degassed magma at shallow level. 1 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Pisa, Italy 2 Laboratoire Pierre Süe, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif /Yvette, France 3 Dpto di Scienze della Terra - Universita’ degli Studi di Pisa, Pisa, Italy Publication Contributions to Mineralogy and Petrology 2004, 147, 213-237.

Dynamics of magma mixing and degassing recorded in plagioclase at Stromboli (Aeolian Archipelago, Italy)

03 août 2005

2001 flank eruption of the alkali- and volatile-rich primitive basalt responsible for Mount Etna's evolution in last three decades

N. Métrich^a, P. Allard^a,b, N. Spillaert ^a, D. Andronico^b and M. Burton^b

Since the early seventies enhanced eruptive activity of Mount Etna has been accompanied by selective geochemical changes in erupted lavas, among which a gradual increase of alkalis whose origin is still debated. Here we provide further insight into the origin of this recent evolution, based on a detailed study of the chemistry and dissolved volatile content of melt inclusions trapped in olivine crystals of unusual plagioclase-poor primitive basalt that was extruded during a highly explosive flank eruption in July-August 2001. Two types of lava were erupted simultaneously along a N-S fracture system. Trachybasalts from the upper vents (2950-2700 m) were simply drained out by fracturing of the central volcanic conduit. They are identical to summit crater lavas and contain Mg-poor olivines (Fo70-72) with evolved and volatile-poor melt inclusions that represent late-stage crystallisation during shallow open conduit degassing. In contrast, plagioclase-poor basalt (80% of total) extruded through the lower vents (2550-2100 m) derived from lateral dyke intrusion of a more primitive and volatile-rich magma across the sedimentary basement. This primitive melt is best preserved in rare Fo82.4-80.5 skeletal olivines present in lapilli deposits from the most powerful activities at the 2550 m vent. Its high dissolved contents of H2O (3.4 wt %), CO2 (0.11 to 0.41 wt %), S (0.32 wt%), Cl (0.16 wt%) and F (0.094 wt%) point to its closed system ascent from ~400 to 250 MPa (~12 to 6.5 km depth b.s.l.). However, the predominance of euhedral olivine phenocrysts with common reverse zoning (cores Fo76-78 and rims Fo78-80) and decrepited inclusions shows that most of the erupted basalt derived from a slightly more evolved, crystallizing body of the same magma that was invaded by the uprising primitive melt prior to erupting. The few preserved inclusions in these olivines indicate pre-eruptive storage of that magma body at about 5 km depth b.s.l., in coherence with seismic data. We propose that the 2001 flank eruption resulted from gradual overpressuring of Etna's shallow plumbing system due to the influx of volatile-rich primitive basalt that may have begun several months in advance. We find that this basalt is much richer in alkalis (2.0 wt% K2O) and has higher S/Cl (2.0) but lower Cl/K and Cl/F ratios than all pre-seventies Etnean lavas (1.4 wt% K2O, S/Cl =1.5), as further examplified by melt inclusions in entrained olivine xenocrysts. Combining these new observations with previously published data, we argue that the 2001 basalt represents a new alkali-rich basic end-member feeding Mt. Etna, only few amount of which had previously been extruded during a 1974 peripheral eruption and, more recently, during brief paroxysmal summit events. Over the last three decades this new magma has progressively mixed with and replaced the former K-poorer trachybasalts filling the plumbing system, leading to extrusion of gradually more primitive and alkali-richer lavas. Its geochemical singularities cannot result from shallow crustal contaminations. Instead, they suggest the involvement of an alkali-richer but Cl-poorer arc-type component during recent magma genesis beneath Etna. a.) Laboratoire Pierre Süe, CNRS-CEA, Saclay, France b.) Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Catania, Italy. Publication: Earth and Planetary Science Letters 2004, 228, 1-17

03 août 2005

A XANES study of sulfur speciation in synthetic glasses and melt inclusions

N. Metrich¹, A. Berry², H. O’Neill² and J. Susini ³

Sulfur dissolves in silicate melts in at least two and possibly three oxidation states: sulfide (S^2-), sulfate (S⁶⁺), and possibly sulfite (S⁴⁺). The solubility of sulfur in magmas is directly related to its oxidation state, and is important for understanding geological processes such as the origin of magmatic sulfide ores, sulfur degassing from volcanic eruptions and hence global climate change, and the geochemical behavior of the chalcophile trace elements (Re-Os, PGE). We have already done different series of XANES experiments on natural glass/melt inclusions and sulfide compounds [1,2]. The XANES spectra of glass inclusions, representative of basaltic magmas saturated with respect to the immiscible FeS sulfide liquid, showed the coexistence of different sulfur species (sulfate, sulfide, even sulfite, ..), difficult to interpret in terms of redox conditions (fO2, fS2), only. In order to determine the oxidation state and speciation of sulfur in silicate glasses, µXANES spectra at the sulfur K-edge, were recorded for a wide range of experimental samples. XANES experiments were performed at the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF, France), using the X-ray microscopy beamline, ID21. Glasses ranging from typical MORB-type basalts to Ca-(Na, Mg) rich compositions were synthesized under reducing conditions (log fO2 –8.79 to – 10.92; log fS2 –1.91) at 1200-1400°C and 1 bar. The XANES spectra of all glasses show a main peak at 2476.3 eV (S^2-), while those of the Fe-bearing glasses also contain a shoulder on the absorption edge (2471.7 eV) and differ in their structure after the edge. All these XANES spectra are clearly different in both the energy position of the first peak and the structure after the main edge from those recorded on sulfide-bearing minerals. High-pressure experiments saturated with FeS display a low energy peak at 2470.5 eV, indicating a contribution from sulfide microglobules, that can be easily assessed by combining the XANES spectrum of the glass anf that of the sulfide globule. For glasses synthesized under oxidizing conditions (log fO2 –0.49 to – 0.30; log fS2 –0.18 to –0.31; log fSO2 –1.47 to –2.06) at 1200-1400°C and 1 bar, all spectra are essentially identical, with a main peak at 2482 eV (sulfate), despite large variations in composition. We show that the sulfite (S⁴⁺) species may co-exist with sulfate (S⁶⁺), in Fe-free glasses under highly oxidizing conditions. Conversely, S^2- and S⁶⁺ species were not found to coexist in the experimental glasses. The spectra of these samples differ significantly from those of melt inclusions in addition to the sulfate peak at 2482.2 eV, and an unassigned peak at 2469.4 eV. The presence of both S^2- and S⁶⁺ may reflect intermediate redox conditions, although this is unlikely given the very narrow fO2 range over which the two oxidation states are expected to coexist. An alternative explanation is post-entrapment oxidation, which is supported by experiments on melt inclusions heated as a funtion of time. [1] M. Bonnin-Mosbah N. Métrich N., J. Susini., M. Salomé, D. Massare, B. Menez (2001). Spectr. Chim. Acta B57, 711-725. [2] Metrich N., Bonnin-Mosbah M., Susini J., Menez B. and Galoisy L. (2002), Geophys. Res. Lett. 29, 11. 1. Laboratoire Pierre Sue, CEA-CNRS, Saclay, France 2. Research School of Earth Sciences, ANU, Canberra, Australia 3. European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France Communication: Goldschmidt Conference 20-25 May 2005, Session S05 – Advances in in-situ microanalysis of trace elements

A XANES study of sulfur speciation in synthetic glasses and melt inclusions

03 août 2005

The deep feeding system of Vesuvius involved in recent violent strombolian eruptions

P. Marianelli¹, N. Métrich², A. Sbrana¹, A. Cecchetti ¹

Activity at Vesuvius stopped abruptly in 1944 after about 300 years of semi-persistent activity. The 1637-1944 period of activity brings the testimony of primitive and water-rich tephritic magmas (e.g., the 1822 eruption), trapped as melt inclusions in spinel-bearing high pressure olivines. Through time, the extents of melt differentiation increase as well as the relative proportion between carbon dioxide and water dissolved in magmas, as recorded as olivine melt inclusions. Lowering the H₂O/CO₂ ratio in magmas, particularly in the 1944 samples, would enhance crystallization of K-tephritic magma, possibly modifying their rheology and ascent rates. It could be one of the processes leading to the transition to the present resting state. A decrease in the feeding rate of magmas from the mantle source is another possible cause, but there is no evidence of change in magma chemistry and thus of mantle source process, as discussed above. A further possibility is that Vesuvius since 1944, according to its past working mode, has moved to a pre-plinian stage in which a shallow magma chamber of medium-high volume is developing. As a matter of fact, the melt inclusions data for Vesuvius point to the existence of a volatile-rich magma storage zones, located in the upper crust, where primary magmas crystallize and differentiate, modifying their volatile content. This zone is arranged as a mush column located at a depth of >8 km that appears to be the source zone for volatile-rich magma batches. The studied eruptions (VEI 2–3) have a distinct behavior with respect to the mainly effusive or weakly explosive events occurred during the open conduit activity at Vesuvius in the last 300 years. In these eruptions and in particular in deposits related to the more intense phases of lava fountains, abundant olivine containing volatile-rich melt inclusions is distinctive, clearly testifying to the involvement of deep-seated volatile-rich magmas. We propose that the uprising of deep CO₂-H₂O-rich magma blobs and the sudden release of their volatiles triggers the high VEI eruptions and controls the dynamics of these eruptions with the transition between the lava effusions of degassed magmas, residing in open conduit shallow reservoirs, and intense lava fountains and sustained columns. 1. Dipartimento di Scienze della Terra, Università di Pisa, Italy 2. Laboratoire Pierre Süe, CNRS-CEA, Saclay, France Publication: Geophysical Research Letters 2005, 32, L02306, doi:10.1029/2004GL021667

03 août 2005

Triggering mechanism at the origin of paroxysmal explosions at Stromboli (Aeolian Archipelago, Italy): the April 5, 2003 eruption

N. Métrich¹, A. Bertagnini², P. Landi², M. Rosi^2,3 and O. Belhadj¹

Between 28 December 2002, and 20 July 2003, Stromboli produced one of the most important lava emission of the past three centuries. Various lava flows were extruded from the summit crater and from vents opened between 600 and 550 m a.s.l., on the northern flank of the volcano (Sciara del Fuoco). Venting of lava at low elevation resulted in the drop of magma level in the volcano conduit, the collapse of the summit craters and the temporary cessation of the ordinary explosive activity from late December to late March. During this period, however, the persistence of seismic very long period (VLP) signals (explosion-quakes) indicated that magma-gas dynamics which characterize the persistent “strombolian” activity of the volcano remained essentially unchanged. At 9:12 local time of April 5, 2003, a paroxysmal explosion occurred while outpouring of lava was in progress from a lateral vent at 600 m elevation and craters were clogged with debris. The paroxysm lasted a few minutes and consisted of two violent, cannon-like explosions followed by a vertical jet of gas and pyroclasts and by a waning phase of ash and gas emission. Pumices emitted during April 5, 2003 event indicate that the explosion was driven by the fragmentation of a gas-rich strongly mingled magma blob, in which no stable mineral paragenesis exists. A few olivines show evidence of crystallization during continuous mixing between HK-basaltic magmas slightly different in terms of degree of differentiation, crystallization, volatile contents and mainly with respect to their respective volumes. The end-members of the mixing trend are (i) the glassy matrix of the pumice and (ii) the primitive melt inclusions in olivine Fo85-87. The most primitive term is thus sizeable at micrometer scale only. The latter represents the uprising HK-basaltic melt, with a dissolved volatile content of 3.1 wt% (H₂O, CO₂, S, Cl), from which the total fluid pressure is evaluated between 230 and 330 MPa. This magma blob is most likely nearly aphyric, since the olivine crystals that have preserved this melt represent less than 1% of crystals. April 2003 pumice do not bring the testimony of the most primitive parental Ca-rich magmas, recorded as melt inclusions, in high-Mg olivine (Fo~90), that possibly entered the deep feeding system a few days before historical paroxysms [Bertagnini et al., J. Geophys. Res. 2003]. However, in each case the involvement of a melt more primitive than the emitted pumice is only testified by olivine-hosted melt inclusions, and its imprint on the composition of the erupted magma is weak. It thus evidences recurrent features in Stromboli’s paroxysms, possibly indicating that the uprising “deep” magma blobs have small volumes and that the driving force for triggering magma ascent would be chiefly supplied by buoyancy of a gas pocket originated in the range of 230-330 MPa. Such a mechanism would imply a high volume ratio between gas and melt and possibly the existence of a bubble-rich layer of basaltic melt in this range of pressure, although this hypothesis must be confirmed. During its route to the surface, the gas-rich magma blob gradually interacts and mixes with overlying melts filling the dyke-like feeding system beneath the volcano. Contemporaneously, volatile exsolution driven by decompression participates to bubble growth, and expansion. Following this line of reasoning, the magma that erupted as pumice has the composition of the glassy matrix (~1.9 wt% K₂O, 6 wt% MgO), and represents the upper part of the magma column still able to generate pumice. It means prior to significant plagioclase crystallization, implying a dissolved H2O concentration in HK-basaltic melt <1.2wt% [Landi et al., Contrib. Mineral. Petrol. 2004]. Accordingly, the limit conditions for producing pumice-generating magma would be achieved when the melt still contains a minimum of ~1.2 wt% dissolved H₂O, whereas the gas-melt mixture becomes unstable. In the final stage, immediately before magma fragmentation and explosion, this “balloon” of vesicular magma rapidly raises through and mingles with the denser, degassed magma residing in the uppermost part of the cone. In conclusion, the “perturbation” that induced the April 5, 2003 explosion was initiated at moderate pressure (230-330 MPa), without direct relationship with the lava emission. 1 Laboratoire Pierre Süe, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif /Yvette, France 2 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia, Pisa, Italy 3 Dipartimento di Scienze della Terra - Universita’ degli Studi di Pisa, Italy Publication: Geophysical Research Letters, 2005, 32, L10305, doi:10.1029/2004GL022257

03 août 2005

High-temperature experiments on silicate melt inclusions in olivine at one atmosphere. Inference on temperatures of homogenization and H2O concentrations

D. Massare, N. Métrich and R. Clocchiatti

A series of heating stage experiments, at ambient atmosphere and high temperature, were conducted in order to detail the change in the homogenization temperature and the behavior of H2O of melt inclusions in olivine phenocrysts (Fo82-89). The samples were collected at different volcanic sites (Piton de la Fournaise, Réunion island; Stromboli, Aeolian islands; FAMOUS zone) expected to have a range of magmatic water contents. The melt inclusions vary in composition from basaltic to shoshonitic, with H2O contents from 0.14 to 2.9 wt.%. Temperatures of homogenization (Th) of melt inclusions systematically increase with time during heating experiments, regardless their major element composition and their H2O. It is proposed that Th changes with time in response to deformation of the host crystal and change in the volume of the cavity. The FTIR spectra successively acquired on the same inclusion repeatedly heated at constant temperature clearly demonstrated that the relative absorbance (Abs.n/Abs.0) measured at 3535 cm^-1 corresponding to hydroxyl group and molecular H2O decreases with time. The H2O-rich melt inclusions may have lost from 20 to 80% H2O after the first homogenization and almost total dehydration of melt inclusions may occur within few hours or less, at one atmosphere. Water loss driven out off olivine-hosted melt inclusions possibly exists to some extents in natural large dunitic bodies or in mantle xenoliths. Laboratoire Pierre Süe, CEA-CNRS, CE-Saclay, 91191 Gif sur Yvette, France Publication: Chemical Geology 2002, 183, 87-98

27 juillet 2005

First X-ray micro-spectroscopy at the Fe K-edge, at high temperature, in natural silicate melts and magmas. Implication for the redox state of iron in natural samples

N. Métrich, J. Susini*, E. Foy, D. Massare, F. Farges **, L. Sylla, S. Lequien, M. Bonnin-Mosbah⁺

ΣΞIron and sulfur may be considered as the couple of elements buffering the redox state of magmas during their ascent from Earth’s mantle to the surface. However, the in-situ determination of both the redox state of magmas and the relative variation of the [Fe³⁺/(Fe³⁺+Fe²⁺)] atomic ratio is challenging because these silicate melts crystallised in response to the temperature decrease, the decompression and the release of most of their volatile constituents (H₂O, CO₂, H₂S, SO₂, HCl) prior to eruption. Previous micro-X-ray absorption spectroscopy (µXANES) experiments performed on ID21 (ESRF) on Fe-bearing silicate reference glasses, at room temperature, indicated that the energy resolution allows an accurate discrimination between the pre-edge features of Fe²⁺ (7111.5 eV) and Fe³⁺ (7113.2 eV) and that the area ratios between the Fe³⁺ and Fe²⁺ peaks correlate with the Fe³⁺/ΣFe ratio determined independently by classical chemical analyses. However, the effects of the cooling rate and of the glass transition may induce bias in the determination of the redox state of Fe in glasses, because of rapid electron exchange. This problem may be addressed by direct in-situ measurements of the chemical environment of Fe as a function of temperature. We provide, here, the first in-situ µXANES experiments at the iron K-edge (7130 eV), carried out on ID21 beamline for determining the chemical environment of iron in natural silicate glass/melt, between 20 and 800°C. These experiments were performed on H₂O-rich silicate glass inclusions trapped within natural hermetic containers as pure SiO₂ quartz crystals. These inclusions are droplets of magma trapped at high temperature (i.e. 750°C) in growing crystals and preserved as glass in volcanic samples, because of rapid cooling. The prepared as double face polished, 150 µm thick lamella in order to preserve the inclusion in the centre of the crystals and thus isolated from the surroundings. The samples were placed in a water-cooled furnace. Different series of µXANES spectra (2x2 µm²) probe were collected on melt/glass inclusions, by decreasing the temperature by step of 100°C, from 800 to 20°C. The pre-edge features significantly and progressively evolved towards reduce state (Fe²⁺) at high temperature up to 797°C. and towards the oxidised (Fe³⁺) pole when cooling down to 20°C (Fig). It demonstrates the dominance of Fe³⁺ in the pre-edge structure, a shift of the centroid position by nearly 0.5 eV and an increase in the energy of the main edge at 20°C compared to high temperature. This results in an apparent and drastic change of the oxidation state of iron, as the temperature decreases. The slower the cooling rate the higher the ferric iron contribution. The [Fe³⁺/ΣFe] ratio of samples may be overestimated by a factor 1.7 to >2, implying that this ratio cannot be reliably retrieved by probing natural cooled glass inclusions and most likely silicate glasses. Iterative µXANES experiments coupled with in-situ infrared spectroscopy measurements performed on the same samples show that the process is reversible. The possible mechanisms at the origin of apparent oxidation of iron upon cooling are thus discussed. High temperature µXANES experiments led first to an assessment of the ferric-ferrous ratio in the water-rich peralkaline melt in pre-eruptive magmatic conditions and second to the determination of the corresponding oxygen fugacity at 740°C. Publication Chemical Geology (2005 in course of revision) * European Synchrotron Radiation Facility, Grenoble, France ** Laboratoire de Geosciences, Université de Marne La Vallée, France ⁺ INSTN, CEA, CE-Saclay, , Gif sur Yvette, France

19 juillet 2005

Experimental Study of Bromine Behaviour in Water-Saturated Silicic Melts

H. Bureau and N. Métrich

In order to assess the effect of the melt composition on bromine concentrations in magmas, we have investigated bromide solubility for water-saturated iron-free silicic melts with variable Na+K/Al and Si/Al molar ratios (albite, haplogranite, rhyolite and pantellerite). The experiments were performed in rapid quench cold-seal autoclaves over a range of pressure: 1, 1.5, 2 kbar, and temperature: 900, 1000, and 1080°C with run durations from 5 to 7 days. A series of natural volcanic glasses and melt inclusions hosted in magmatic minerals were analysed together with the synthetic glasses by PIXE (Proton Induced X-rays Emission, Nuclear Microprobe, Pierre Süe Laboratory). The Br concentrations range from 5360 to 7850 ppm for albite, from 2800 to 3900 ppm for haplogranite, from 4300 to 5900 ppm for rhyolite, and from 9745 to 11250 ppm for pantellerite. Bromine concentrations are negatively correlated with pressure in H2O-saturated silicic melts, and vary with (Na+K)/Al molar ratio with a minimum value at the ratio close to unity. Bromine behaves similarly to chlorine for all of these melt compositions. The bromide solubility is similar in albitic and rhyolitic melts, which implies that Df/m is nearly the same for both compositions and is applicable for natural rhyolites as suggested in a previous study. This means that the volcanic Br contribution to the atmosphere may be significant. In natural obsidian samples and MI hosted in quartz, olivine and leucite, the Br concentration varies from < 3 to 28 ppm, with the highest concentrations in pantelleritic melts. We attribute the low bromine concentrations of natural melts to a low initial abundance of this halogen in the Earth mantle. However, because bromine behaves as an incompatible element before water exsolution, our results imply that magmas could contain much more dissolved Br prior to eruption and water degassing than the few ppm usually measured in volcanic rocks. Bromine behaviour during magma crystallisation is controlled by its partitioning into the H₂O-rich fluid phase when occurs. On the contrary, its potential high solubility in silicate melts makes it a very sensitive chemical tracer of magma contamination by sea water and Br-rich material. Therefore, the systematic study of Br in subduction-related magmatic samples may help for a better understanding of volatiles cycling between the Earth reservoirs. Our experimental approach is now focused on bromine and iodine degassing processes during magma decompression for subduction-zone related magmas. Related publication: GCA 67, 1689-1697, 2003 Collaboration : Bayerisches Geoinstitut Bayreuth, Germany.

19 juillet 2005

Determination of the concentration of water dissolved in glasses and minerals using nuclear microprobe

H. Bureau, P. Trocellier, C. Shaw, H. Khodja, N. Bolfan-Casanova, S. Demouchy

In Earth Sciences, the global water cycle is of fundamental importance. For this reason, the H₂O content of volcanic glass and mantle minerals must be analysed: usually by micro-infrared spectroscopy (FTIR) or Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). However, both of these methods require calibration using standards of known water content. To avoid matrix effects, the standards and unknowns must be otherwise identical in composition. In this study we have determined the water content of geological samples, in the range 10 ppm- 5 wt.% H₂O, using an absolute analytical technique: a combination of ERDA (Elastic Recoil Detection Analysis) and RBS (Rutherford Backscattering Spectrometry). We compared the results obtained by this method to data obtained by FTIR on the same samples. We discuss the limitations of the method and use the results to calibrate IR extinction coefficients for FTIR spectroscopy. Related paper: NIM B210 (2003) 434-440

25 mars 2005

In-situ high-pressure and high-temperature bubble growth in silicic melts

C. Martel, H. Bureau, C. Gondé

We have performed an investigation of in situ high pressure and high temperature bubble growth in silicic melts. In a hydrothermal diamond anvil cell, a haplogranite melt is hydrated then subject to cooling and decompression. With decreasing pressure, water exsolves from the melt and bubbles grow. The whole experiment is observed through an optical microscope and video-recorded, so that bubble nucleation, bubble growth, and the glass transition are directly monitored. Bubbles nucleate and expand in melt globules having radii from 15 to 70 µm. Bubbles reached 3.6-9.1 µm in radius within 6.1-11.7 s (until the glass transition is attained) while temperature decreases from 709-879°C to 482-524°C, corresponding to decompressions from 7-22 to 3.4-15.2 kb. Bubbles nucleated either in a single event occurring within the first second or in successive pulses over a period of up to 7 s when the melt globules are in contact with a diamond culet of the cell. In these experiments, bubble growth can be fitted to the cube root or a logarithm of time, mainly ascribable to the combination of large water oversaturations due to rapid cooling and decompression. At pressures of 3.4-15.2 kb, we measure glass transition temperatures that are 20-80°C higher than those calculated at atmospheric pressure. Although these experiments are not yet directly applicable to magma ascent in volcanic systems, this study provides a major step in the understanding of bubble growth process that is necessary for further investigations of magma rheology and eruption mechanism. We have provided a first and novel data base and we have proposed growth laws. Further investigations are now developed combining in situ diamond anvil cell experiments and experiments performed in a transparent internally heated autoclave. Related publication: EPSL (2001), 191, 115-127 Collaboration : Institut des Sciences de la Terre d’Orléans.

25 mars 2005

Fluid-Magma decoupling in a hot-spot volcano

H. Bureau, C. Gondé, B. Ménez, M. Semet

Melt and fluid inclusions in olivines from the last 197 days long eruption of Piton de la Fournaise (Réunion Island) that began March 9, 1998, have recorded a range of volatile partial pressures. The highest pressures (400-540 MPa) so far for this volcano are found in unusually Fo-rich olivines from a vent remote from the main eruptive activity. Such pressures indicate that fractionation of olivine (and other crystal phases) occurs below the crust-mantle boundary in a CO₂-rich volatile saturated environment. Together with previously published data, the model that emerges for Piton de la Fournaise is one where olivines which have crystallized from multiple past magma injection events, may be picked up by newly intruding magma, anywhere from upper-mantle depths to the surface, providing a record of the composition of a rather permanent and independent gas phase. The proposed model (H. Bureau, N. Métrich, M. Semet, T. Staudacher (1999) GRL, 26, 3501-3504) is likely to apply to other shield volcanoes. Magma production and transfers to the surface is accompanied by continuous open-system degassing through the permeable volcanic pile. The calculated H₂O content of primary basalts (MgO ≈ 12-14 wt.%) from Piton de la Fournaise may reach 0.7-1 wt.% implying a rather H₂O-rich hot spot mantle source. We are developing analytical protocols for Particle Induced X-ray Emission (PIXE, Laboratoire Pierre Süe, CEA Saclay) and Synchrotron X-Ray Fluorescence (SXRF, ESRF Grenoble) for the determination of major and trace element concentrations in these melt inclusions that had already been studied for major and volatile elements. Calibration of each of these two methods are done using International standards (NIST glasses) and analytically well documented glasses. Consistent results are obtained for elements ranging for K to U. The doubly polished basaltic melt inclusions (50-150 µm diameter) are investigated by the two methods, allowing comparison for the following elements: Ni, Cu, Zn, Rb, Sr, Zr, Pb etc... Compared to other techniques usually used for melt inclusions study, such as SIMS, SXRF and PIXE yield promising complementary results.

25 mars 2005

In situ Determination of the Partitioning of trace Elements between Hydrous Melts and Aqueous Fluids at High Pressure and Temperature

H. Bureau, B. Ménez, V. Malavergne, A. Somogyi, M. Munoz, A. Simionovici, D. Massare, M. Burchard, S. Kubsky, C. Shaw

Subduction zones are the locations where the oceanic crust, which experienced intense interaction with seawater, is buried back into the Earth’s mantle. These environments play a critical role in the global geochemical cycle of Earth, being the location at which chemical components are both recycled into the mantle and returned to the atmosphere through volcanism. It is now generally admitted that magma genesis at subduction zones is mainly induced by the presence and movement of fluids (aqueous fluids and/or silicate melts) released continuously in large amounts due to dehydration reactions in the subducted slab. It is also believed that these fluids may be responsible of the atypical trace-element signature of the Island Arc Basalts (IAB), which are enriched in Large Ion Lithophile Element (LILE= Sr, Rb, Ba, Pb) and depleted in High-Field Strength Element (HFSE= Zr, Ti, Hf, Nb, Ta) compared to Mid-Ocean Ridge Basalts (MORB). This program combine diamond anvil cells experiments with the high-brillance third-generation synchrotron light source of the European Synchrotron Radiation Facility (ESRF µFID beam line, Grenoble, France,), to study in situ the partitioning of key elements (Pb, Rb, Sr) between aqueous fluids (pure water, NaCl aqueous solutions) and silicate melts, under subduction zones pressure and temperature conditions. We try to evaluate the effect of chlorine on the partition coefficients of elements such as Pb, Ba, Sr, Rb, Zr… as function of pressure and temperature. Related publication: EOS Trans. AGU 2004, 85(47), Fall Meet. Suppl., Abstract V11C-05.

18 février 2005

Mobilité, fractionnements et héritage géochimiques lors des processus d'altération de la croûte continentale

M. Treuil, J. L. Joron, M. El Maghraoui*, F. Le Borgne

De nombreux travaux sont consacrés actuellement au transport des éléments dans l'hydrosphère continentale. Des bilans ont été dressés qui soulignent tant les modalités et les flux de ces transports (particulaires et en solution) que les processus d'altération et d'érosion de la croûte (physico-chimie des sols, équilibres eau-roche, …). Demeurent néanmoins de nombreuses incertitudes qui tiennent, pour une part aux difficultés d'analyse qualitative et quantitative des différentes espèces véhiculées par une eau naturelle et, pour une autre part, aux difficultés d'observation et d'expérimentation en grandeur réelle dans les milieux naturels représentatifs. Nous nous efforçons de surmonter ces difficultés en recherchant en premier lieu des systèmes naturels modèles dont la dynamique favorise l'observation, en combinant en second lieu les outils analytiques du laboratoire Pierre Süe (activation neutronique et spectrométrie de masse), finalement en concentrant principalement notre attention sur les éléments, codeurs dans le temps de l'information, plutôt que sur les objets supports éphémères de cette information. Cette démarche engagée dans différents contextes où interviennent puissamment l'altération et les grandes transformations de la croûte, conduit à souligner le caractère systématiquement inerte d'un grand nombre d'éléments de transition internes réputés par ailleurs d'éléments "incompatibles" tels que Ta-Nb, Zr-Hf-Th-lanthanides lourds chimiquement. Si l'on considère que ces éléments se caractérisent par leur forte aptitude à donner des espèces discrètes complexes en solution avec de nombreux ligands, ce paradoxe évoqué ci-dessus ne trouve d'explication que par le non passage en solution de ces éléments lors des interactions fluides/roches de ces transformations et donc par la non pertinence du concept d'éléments "incompatibles". Ce résultat est illustré aussi bien par la répartition de ces éléments dans les roches solides résiduelles de ces interactions que par leurs distributions dans les eaux des rivières et des fleuves. Dans ce dernier travail, nous avons montré que les distributions des lanthanides dans les eaux de la Loire correspondent au transfert du spectre de la croûte continentale par l'intermédiaire d'espèces colloïdales. La filtration comme la décantation de ces espèces au cours du transport ne modifie pas l'allure du spectre. Par contre ce spectre des distributions des lanthanides dans les eaux est significativement modifié dans le sens d'un appauvrissement en lanthanides légers lorsque les conditions du milieu en période estivale ou lors du transfert dans un réseaux de chenaux karstiques, mettent en compétition les espèces colloïdales avec des ligands complexant forts (carbonates complexes) ce qui favorise le maintien en solution des lanthanides lourds. * Université de Kenitra, Maroc

$Mobilité, fractionnements et héritage géochimiques lors des processus d'altération de la croûte continentale$

08 février 2005

Signification des caractéristiques géochimiques spécifiques des domaines mantelliques sources des magmas basaltiques et andésitiques émis aux frontières des plaques lithosphériques convergentes

J. L. Joron, M. Treuil

Les domaines mantelliques sources des magmas émis aux frontières des plaques convergentes s'identifient par des rapports Th/Ta, ou Ba/Nb, ou Rb(Cs)/Tb très significativement plus élevés que dans les domaines mantelliques sources des MORB et des OIB. Ces caractéristiques résultent essentiellement d'un enrichissement sélectif en Th, Rb, Cs, Ba et, à un degré moindre, en La, Ce alors que les rapports des lanthanides lourds, de Zr, Hf, Nb, Ta, demeurent constants. Cet enrichissement sélectif est également identifié par le fait que l'étalement des hétérogénéités géochimiques des domaines mantelliques sources des magmas émis aux frontières des plaques convergentes est étroitement corrélé à l'étalement des hétérogénéités des domaines des MORB et des OIB. On passe donc des domaines de type MORB-OIB au domaine source des magmas des plaques convergentes par une simple translation liée à la contamination sélective en Th à Hf/Ta constant. Ainsi les caractéristiques géochimiques des domaines mantelliques sources des magmas émis aux frontières des plaques convergentes sont d'une part héritées de celles des domaines mantelliques initiaux à la subduction (rapport Hf/Ta, Zr/Nb, Tb/Yb) et ont, d'autre part, enregistré des degrés variés de contaminations sélectives en Th, U, Ba, Rb, Cs. La typologie géochimique des différentes provinces magmatiques de ces contextes s'explique par la conjonction de ces deux grands facteurs.
Technique utilisée :
Analyse par activation neutronique.

08 février 2005

Circulations 'récentes' autour de la zone de réaction nucléaire fossile d'Okélobondo (Gabon), un analogue naturel d'un site de stockage de déchets nucléaires

J. L. Joron, L. Raimbault

Les zones de réaction nucléaire fossile d'Oklo-Okélobondo ont subi des migrations élémentaires, en particulier de descendants de produits de fission, à diverses périodes géologiques spécifiques (fonctionnement des réacteurs, intrusion d'un magma de composition basaltique, tectonique importante liée à l'ouverture de l'Atlantique). Cependant, aucun de ces événements ne peut être considéré comme un scénario normal de l'évolution d'un site de stockage. Au contraire, les circulations de faible ampleur révélées par des remplissages fissuraux postérieurs à tout événement tectonique correspondent à des conditions ressemblant à celles d'un site de stockage. Les études antérieures ont montré que la zone de réaction d'Okélobondo a subi ces circulations, que l'on retrouve jusque très près de la zone. En raison de la présence d'éléments marqués isotopiquement dans la zone de réaction, la composition isotopique de ces fissures peut permettre d'évaluer l'incidence de la zone de réaction sur la composition des solutions l'ayant traversée. La composition isotopique de l'europium (rapport ¹⁵³Eu/¹⁵¹Eu) a été mesurée par activation neutronique, en utilisant des temps de décroissance de plusieurs années. A 3σ, aucune mesure n'est anormale, ce qui implique des taux de dilution importants de la contribution provenant des "colis" de déchets. Une mesure est anormale à 2σ, et deux autres sont à la limite à 2σ, toutes trois étant centrées sur la zone de réaction. Cependant, si ces anomalies sont réelles, elles impliquent la remobilisation d'europium n'ayant pas subi les réactions (n,gamma), et ayant donc migré hors du réacteur immédiatement après leur production.
Technique utilisée :
Analyse par activation neutronique. * Ecole des Mines, Fontainebleau

08 février 2005

Caractéristiques géochimiques des magmas et dynamismes éruptifs

J. L. Joron, M. Treuil, M. Semet*

Les caractéristiques géochimiques des laves héritées des domaines mantelliques sources et celles liées aux fractionnements lors de la fusion partielle et des processus de distillation de Rayleigh, permettent de repérer les facteurs et les principales phases des transferts de magmas jusqu'au stade éruptif. Nous retiendrons ici deux exemples concernant, d'une part les éruptions récentes du Piton de la Fournaise, d'autre part l'activité éruptive des volcans des Petites Antilles. Dans le diagramme Th/Ta, vs, Th/Tb apparaissent d'une part les corrélations qui traduisent les fractionnements lors de la fusion (conformément à un modèle de "batch partial melting") et, d'autre part les variations des pentes de ces corrélations qui traduisent l'hétérogénéité des sources mantelliques des "paquets de magmas". Ces résultats éliminent l'hypothèse de l'existence d'une importante chambre magmatique superficielle et soulignent au contraire le contrôle du système et de sa dynamique par les propriétés des sources mantelliques et les processus qui les affectent actuellement.

08 février 2005

Caractéristiques et signification des distinctions géochimiques des domaines mantelliques sources des MORB et des OIB

J. L. Joron, M. Treuil

Sur la base des distributions des éléments hygromagmaphiles dans les laves basaltiques (plus de 10.000 échantillons analysés), nous avons établi les critères géochimiques qui permettent de distinguer sans ambiguïté et de caractériser les domaines mantelliques sources respectivement des MORB (Mid Ocean Ridge Basalt) et des OIB (Oceanic Island Basalts). Les critères retenus concernent des couples d'éléments dont les propriétés chimiques différentes ont permis un fractionnement lors de la différenciation ancienne de ces deux grands domaines mantelliques et dont le caractère hygromagmaphile a fortement limité le fractionnement lors de la genèse et de l’évolution postérieure aux magmas basaltiques (ex : Th/Ta, Ba/Nb, Cs/Tb, …).

02 février 2005

Etude haute pression

Les cellules à enclumes de diamants hydrothermales (type Bassett-modifiées ou Burchard) permettent la réalisation d'expériences en pression (0.5-4 Gpa) et en température (-180°- 1100°C) avec visualisation optique et possibilité de faire des mesures spectroscopiques in situ en pression et en température. Ces outils permettent donc l'étude des équilibres de phases (fluides, liquides silicatés, minéraux) dans les conditions physiques du manteau supérieur et de la croûte et le suivi de différents phénomènes magmatologiques : miscibilité entre fluides aqueux et liquides silicatés, dégazage des magmas (croissance des bulles d'eau), coefficients de partage des métaux lourds entre fluides aqueux et liquides silicatés, ou encore croissances cristallines.

17 janvier 2005

Analyse de laves

L’analyse par activation neutronique de plus de 8000 échantillons de laves émises par les volcans situés dans les principaux contextes géotectoniques de la planète, ainsi qu’un choix judicieux des éléments étudiés, permettent d’établir une cartographie spatio-temporelle des sources mantelliques des magmas. La figure illustre cette zonation géochimique, ainsi que l’interprétation des caractéristiques des domaines mantelliques sources du magmatisme aux frontières des plaques convergentes. Les fluides, extraits de la plaque plongeante, contaminent sélectivement en thorium le manteau sous-jacent dont les caractéristiques initiales dépendent de son histoire.

17 janvier 2005

Biogéochimie des éléments lourds

Transports des lanthanides dans le bassin de la Loire Le fractionnement des lanthanides, tant dans la Loire que dans le système phréatique, s’explique : - d’une part, par une compétition entre colloïdes sur lesquels sont fixés majoritairement les lanthanides, et carbonates complexes mettant préférentiellement en solution les lanthanides lourds, - d’autre part, par les processus mécaniques de décantation et de filtration des colloïdes. Ces colloïdes résultent des interactions entre substances minérales solides héritées de l’altération continentale et produits de l’activité biologique (photosynthèse, dégradation des matières organiques responsable de la dissolution du calcaire).

06 janvier 2005

Matériaux optiques

Les recherches sur la fabrication (cristallogénèse, dépôts en couches minces) et les propriétés optiques de nouveaux matériaux optiques permettent d’améliorer les dispositifs Lasers. Plus particulièrement le dopage par des terres rares ou des éléments de transition de matériaux diélectriques à grand gap permettent la réalisation de guides et de diverses fonctions optiques (génération de rayonnement laser, amplification, accordabilité, filtrage, isolation, multiplexage) sur l ’ensemble du spectre (de l ’infra-rouge à l ’ultra-violet) (CIRIL/ISMRA).

25 mars 2005

Inka metallurgy on Cerro Rico Moutain at Potosi (Bolivia)

F. Téreygeol, C. Castro, P. Cruz*

The official history about the silver mine's of Potosi (Bolivia) begins with the discovery of their fabulous ore deposit by the Indian Diego Huallpa in 1543, and with the donation that himself made to Spanish conquerors. This offering justified all the colonial exploitation of this site. Numerous historical studies evidence the social and macro-economic consequences of the site opening. Nevertheless, the history of the metallurgical procedures practiced in Potosi still remains to make. Throughout the treaty of Father Alfonzo Barba "Art of the metals" published in 1640, the development of several techniques of treatment of silver mineral from the Potosi mountain are described. This treaty constituted an index for a long time, dealing with particular emphasises of the amalgamation procedures to the detriment of environmental consequences. Moreover Barba described the indigenous furnaces used in the first times of the exploitation of this mountain. In fact, since the opening of these mines, the conquerors request the "guairadores", Indians specialized in metallurgy and related techniques, because European metallurgists did not know the treatment of this kind of minerals in such environment. Until now, none archaeological testimony of the indigenous furnaces associated to the Potosí's mine was discovered. Recent researches brought archaeological evidences of these structures in the proximity of the Potosi mountain to ligth, similar to indigenous models described in historical texts. Valuable information could be obtained from a comparison between Potosi mines and the mining site of Porco, where the exploitation remained under Inka's control. Beyond typological study, analyses of slags allows understanding the metallurgy of silver in course in pre-hispanic Andes when these two civilizations came into contact. * Université Paris I

25 mars 2005

Long term corrosion resistance of metallic reinforcements in concrete – A study of corrosion mechanisms based on archaeological artefacts

W.-J. Chitty, P. Dillmann, V. Lhostis*

During the past few years, the number of studies concerning the corrosion of archaeological ferrous artefacts has increased significantly. Indeed, in France, this increase is linked to more general studies dealing with the designing of nuclear waste management systems. In this context, the use of reinforced concrete is envisaged for different applications, like low level radioactive waste containers, and more generally nuclear infrastructures containing iron/concrete interfaces. The Atomic French Agency and other French Institution developed a specific research program in this field : the CIMETAL (Ciment Métal) project. In the frame of CIMETAL, the study of this kind of archaeological analogues is necessary to improve knowledge on the long-term corrosion behaviour of low carbon steels that could be used in concrete to build the substructure of nuclear wastes storage or reversible disposal facilities. The corrosion system can be described as a multi-layer pattern made of metal, a dense corrosion product layer, a transformed medium and a binder. The morphological and physicochemical properties like composition, structure and porosities of each part were studied with different analytical methods like optical and electronical microscopies, Energy Dispersive Spectrometry coupled with Scanning Electron Microscopy, Electron Probe Micro Analysis, Mercury porosimetry, micro Raman spectroscopy and micro diffraction under synchrotron radiation. Moreover, average corrosion rates were evaluated. These rates are relatively low compared to the same parameters measured on low alloyed contemporary steels and are comparable with corrosion rates noted for passivated systems. In all the studied samples, the same phases were found in the DPL: mainly goethite containing magnetite and/or maghemite marblings. Other oxi-hydroxides can also be noticed on some samples (lepidocrocite and akaganeite). Moreover, it was shown that several elements (calcium, chlorine, iron, etc) could migrate in the Binder, the Transformed Medium or the Dense Product Layer. Thus, mass transport properties will have to be studied in the future. For instance, Rusts macroscopic dimensions could allow experimentation in diffusion cells in order to evaluate more precisely oxygen apparent diffusion coefficient. * CEA/DEN/LECBA

25 mars 2005

Liquation, a new treatment of silver-bearing coppers, experimental approach starting from archives

F. Téreygeol, A. Doridot*

At the end of the Dark Age, silver remains a product highly demanded, such copper at the time of adoption of the bronze artillery, the new research of comfort and the increase in copper alloy coining. The discovery of a new metallurgical process, surely in Germany, makes possible the extraction of small quantity of silver contained in copper ores. Archaeological data on this process exist but are very rare. On the other hand, we can find famous books making it able the understanding of this new process called “saigerprozess” or liquation (Biringuccio, 1540 ; Agricola, 1556). An experimental approach based on data from the 16th century and using also modern data was attempted. This process was forsaken during the 19th century. The recourse to archaeological experiments with physical chemistry analyses makes possible the validation of the process and offers comparative data for archaeological material resulting from liquation. * LAMOP, Université Paris I

25 mars 2005

Investigation on corrosion of iron archaeological artefacts using microfocused synchrotron X-ray absorption spectroscopy and imaging

Solenn Réguer, Philippe Dillmann, Pierre Lagarde*

Synchrotron based micro X-ray Absorption Spectroscopy was used to obtain micro scale chemical information such as coordination and oxidation state of phases constituting corrosion products within archaeological iron artefacts buried in soil. The knowledge about iron corrosion process related to the presence of chlorine, is particularly important for restoration and conservation of the metallic artefacts. The samples available for X-ray microprobe analyses are cross sections from iron corroded objects coming from different archaeological excavation sites dating from 12^th to 16^th century AD. Previously, several analytical techniques such MEB-EDS, µRaman and µXRD have been employed to reveal morphological, compositional and structural information of corrosion products. X-ray Absorption Near Edge Structure (µXANES) was used to determine the spatial variation of the predominant Fe oxidation state and the corresponding crystallographic phase. The micro-XAS and imaging experiments were conducted on the ID21 beamline at ESRF and on the LUCIA beamline at SLS. Analyses performed at Fe and Cl K-edge (µXANES) revealed the correlation between the Fe²⁺ and Fe³⁺ distribution in the corrosion products, and the evolution of the chlorine concentration. In addition to the presence of the well-known beta iron hydroxide βFeOOH: akaganeite, in iron corrosion product, we highlight the presence of an other important phase, the βFe₂(OH)₃Cl hydroxychloride. This result is particularly interesting because, to our knowledge, this phase has never been identified in archaeological artefacts corrosion products. These findings help to gain new insights concerning the influence of such phases in iron corrosion mechanism within their precise characterisation. *LURE and SLS

25 mars 2005

Monks, bishop and countrymen : iron production at La Chaume (Côte-d’Or, France) between the XIIth and the XIVth century

F. Téreygeol

The richness of archaeological and historical sources about the village of La Chaume – Burgundy, France – enables to write the history of one of the most important iron Cistercian field. Nevertheless Saint-Bernard monks' were not alone to dig this karstic iron ore deposit. They had to take into account the bishop of Langres and also La Chaume’s villagers. Archaeological survey show a mining district not only limited to La Chaume wood but also in forests surrounding it. Vestiges are shafts and opencast mines, more than one thousand are located. On the other hand, iron sites are concentrated in the village. Historical sources draw an impressive picture of this village. There are more than two thousand persons living there. An important part of them worked as miners and blacksmiths. Today, it is possible to see remains of iron production (hydraulic system, slag heaps, etc.). The comparison between archaeological and historical sources help us to date mining and forge sites. It is possible to draw the bishop and Cistercian’s policies from the beginning until the end of mining and the introduction of blast furnace technology.

25 mars 2005

Experimental study of the atmospheric corrosion of iron by ageing archaeological artefacts and contemporary low-alloy steel in climatic chamber. Comparison with a mechanistic modelling.

P. Dillmann, L. Maréchal*, S. Perrin*, G. Santarini**

Since several years in the frame of the French CEA COCON program, studies try to predict and model the atmospheric corrosion behaviour of iron for long duration (i.e. several hundred centuries). For this purpose, it is necessary to couple phenomenological modelling to investigations on archaeological analogues. The mechanisms occurring inside the rust layer during a wet-dry cycle are considered as well as the characteristics of the rust layer formed on archaeological artefacts during these processes and a related mechanistic modelling has been developed. In order to obtain experimental values of damage rates, ferrous archaeological artefacts have been aged in climatic chambers. Damage and corrosion rates have been determined from the weight gains measured during the ageing treatments. Moreover, these rates have been compared with those obtained on a low-alloy steel. The comparison between the values determinate according to the mechanistic modelling and these experimental values obtained on old rust layer gives a relative good agreement. The similar results, that have been obtained both on artefacts and contemporary low-alloy steel, seem to corroborate the modelling calculations which indicate that most of the corrosion phenomena take place at the surface of the rust layer where the lepidocrocite is mainly observed. Considering that the most important parameter controlling the corrosion rate seems to be the lepidocrocite content in the rust layer, this amount of lepidocrocite will govern the damage caused during the wetting stage. Furthermore, the rust layer ageing tests provide good information about the morphology and the composition in term of phases of the rust layer versus the number of cycles. * CEA/DEN/DPC/SCCME/LECA ** CEA

Experimental study of the atmospheric corrosion of iron by ageing archaeological artefacts and contemporary low-alloy steel in climatic chamber. Comparison with a mechanistic modelling.

07 février 2005

Altération des objets ferreux archéologiques du site de Glinet (Seine-Maritime, France, XVIe siècle)

E. Vega, P. Dillmann, P. Fluzin

Ce travail de recherche concerne à la fois, le domaine de la conservation/restauration des matériaux du patrimoine, et la prévision de l’altération des matériaux dans l’industrie contemporaine. Il porte sur le vieillissement à très long terme d’objets ferreux en milieux aqueux dans les sols argileux. Une étude typologique des faciès de corrosion, menée sur un corpus constitué à partir du matériel issu du site archéologique de Glinet datant du 16^ème siècle AD, a montré qu’il s’agit majoritairement de goethite ainsi que de sidérite, et dans une moindre mesure de magnétite et/ou de maghémite. Les phénomènes de transport dans ces couches ont été abordés par la caractérisation du système poreux et des paramètres qui le décrivent, ainsi que par des essais d’immersion dans des solutions aqueuses contenant des marqueurs chimiques ou isotopiques. Les résultats montrent une localisation de la réduction de l’oxygène au niveau de l’interface métal/oxyde. La comparaison de vitesses de corrosion obtenues par plusieurs approches suggère que la cinétique des réactions est contrôlée, au stade actuel de la corrosion, par la migration de l’oxygène dans les pores. De plus, des mécanismes de formation des couches de corrosion ont été proposés en tenant compte des propriétés du transport à l’intérieur de ces couches, et en s’appuyant sur les données thermodynamiques issues des analyses des sols menées in situ. En particulier, l’altération des couches de sidérite pourrait s’expliquer par le rôle déterminant des fissures. Aux mécanismes engendrés par ces fissures semblent se substituer les mécanismes qui conduisent à des faciès de corrosion plus « classiques » ne contenant plus de sidérite.

17 janvier 2005

La fabrication de la monnaie avant l’introduction de la frappe au balancier

F. Téreygeol, A. Arles

Les fouilles menées entre 1994 et 1995 sur l’Hôtel de la monnaie de La Rochelle ont permis la mise au jour d’un ensemble de déchets métalliques permettant de suivre la totalité des étapes de fabrication d’une monnaie de cuivre et d’argent : depuis le lingot jusqu’au flan monétaire en passant par le carré. Il s’agit d’un cas unique en Europe puisque jamais il n’avait été possible de fouiller un atelier monétaire royal. L’activité de l’atelier, tel qu’il a été retrouvé s’inscrit entre les XVIe et le XVIIe siècle. Il n’a pas connu l’introduction des nouvelles machines que sont le balancier et le laminoir. De ce fait, la production qui est issu de l’atelier de La Rochelle se rattache à un schéma opératoire typiquement médiévale. La présence des déchets métallurgiques retrouvés lors de la fouille archéologique a permis d’envisager une étude à la fois quantitative et métallographique du matériel conduisant à une certaine réinterprétation des édits monétaires et à une nouvelle réflexion sur la notion d’alliage monétaire. D’autre part, il a été également possible de reconstituer expérimentalement à Melle cette chaîne opératoire de manière à produire des artefacts comparables au matériel archéologique. La comparaison du matériel expérimental et des objets archéologiques est de nature à intéresser tant les paléométallurgistes que les numismates ou encore les historiens de l’économie. La combinaison des données archéologiques, historiques, expérimentales et chimiques permet de proposer un schéma de la production de la monnaie d’argent à bas titre (5 à 10 % d’argent) pour les périodes antérieurs à l’introduction de la frappe au balancier.

La fabrication de la monnaie avant l’introduction de la frappe au balancier

17 janvier 2005

Production expérimentale de laiton par cémentation en creuset ouvert selon les recettes médiévales.

A. Doridot*, L. Robbiola**, F. Téreygeol

Pour les périodes médiévales, la fabrication du laiton (alliages Cu-Zn) repose sur le procédé de cémentation - le laiton étant un alliage recherché tant pour ces qualités mécaniques que pour sa couleur imitant celle de l’or. Rappelons que ce procédé thermochimique d’élaboration vise à libérer, sous forme gazeuse, du zinc issu d’un minerai (calamine) qui diffuse dans du cuivre solide, en présence de charbon. La calamine peut être au préalable grillée (oxydée). Le charbon a pour rôle de maintenir un milieu réducteur et notamment de réduire l’oxyde de zinc formé lors du grillage. Les recettes médiévales dont nous disposons mentionnent exclusivement une cémentation à l’aide de creusets « ouverts » (par exemple : Théophile XIIe siècle, Biringuccio XVIe siècle, Agricola XVIe siècle). Cependant, les traces archéologiques de ce procédé, connues à ce jour en Europe et essentiellement données pour antique, reposent sur l’existence de creusets lutés et totalement fermés. Il y a donc ici un problème de concordance des sources entre les textes et les données archéologiques sur la nature des creusets employés. En d’autres termes peut-on élaborer du laiton par cémentation à partir d’un creuset ouvert ? Pour répondre à ce point précis de métallurgie, une approche expérimentale a été réalisée en variant la nature du minerai de zinc. Les essais ont été effectués à partir 1° d’oxyde de zinc, 2° de calamine non grillée, 3° de calamine grillée 30 minutes et 4° de minerai grillé pendant 12 heures. Les expérimentations ont été conduites en milieu réducteur en utilisant du cuivre sous forme de tournure et du poussier de charbon pendant 2 heures à des températures comprises entre 950 et 1050°C. Les échantillons métalliques obtenus pour l’ensemble des essais ont été caractérisés par EDS-MEB. Les résultats confirment la formation de laiton. Les données analytiques et structurales, notamment les teneurs en Zn et les hétérogénéités de composition, ont permis de conclure à la pertinence des recettes médiévales. Ces résultats ouvrent d’ors et déjà de nouvelles pistes de recherche notamment dans la reconnaissance des creusets destinés à la préparation de cet alliage. * LAMOP, Université Paris I ** Laboratoire de Métallurgie Structurale, ENSCP, Paris

17 janvier 2005

Analyse des minerais de plomb argentifère au Moyen Age, confrontation des sources historiques, archéologiques et apport de l’ethnographie

F. Téreygeol, C. Castro

L'analyse des minerais est une phase essentielle sur laquelle peut reposer le succès d'une entreprise minière. Il s'agit à partir d'un échantillon représentatif du gisement de déterminer la teneur en métal précieux de celui-ci. Dans le cadre des minerais de plomb argentifère, la méthode d'essai la plus commune est celle dite par coupellation. Profitant de l'oxydation plus rapide du plomb par rapport à l'argent, les essayeurs séparent les deux métaux. Une fois débarrassé du plomb, il est facile de déterminer par pesée la masse d'argent présente dans l'échantillon de départ et d'établir un rapport. Ce moment du processus de production de l'argent au Moyen Age n'a pas donné lieu à beaucoup de découvertes archéologiques. Il est un peu mieux connu par les textes. Et, surtout, il peut être comparé à la méthode d'essai des alliages monétaires bien renseignée par les textes mais aussi par les sources archéologiques. Enfin des données ethnographiques apportent un éclairage nouveau sur un procédé que l'on pensait abandonné au profit de méthodes plus modernes.

Analyse des minerais de plomb argentifère au Moyen Age, confrontation des sources historiques, archéologiques et apport de l’ethnographie

17 janvier 2005

La production du mercure à Almaden

F. Téreygeol

L’utilisation du minerai de mercure, le cinabre, remonte à la plus haute antiquité. Si le mercure est également connu de longue date, son utilisation intensive ne date que du XVIe siècle. La découverte du Nouveau Monde et de ses riches ressources en métaux précieux a provoqué une explosion de la production de ce métal si particulier. La mise au point du traitement des minerais d’argent par amalgamation a permis l’exploitation intensive des gisements d’argent comme celui de Potosi. Parallèlement, il a fallu fournir le vif argent en quantité suffisante. La Couronne espagnole disposait avec la mine d’Almaden du plus important gisement connu au monde. La mise en place d’une collaboration avec "las minas de Almaden y Arrayanes" permet de développer les recherches sur les techniques de production de ce métal pour la période médiévale et moderne. Se pose alors rapidement la question de l’influence arabe dans les techniques mises en œuvre.

17 janvier 2005

Jabali : le plus important gisement d’argent de l’'Islam médiéval

F. Téreygeol, P. Benoit*, J. Ferraud**, F. Micheau⁺

Le géographe yémenite al-Hamdânî écrivit au IIIe siècle de l’Hégire (Xe siècle de l’ère chrétienne), un traité sur l’or et l’argent décrivant les gisements de ces métaux précieux dans le monde musulman. Selon lui, le Yémen y tenait une place de choix en particulier grâce à la mine de al-Radrâd (actuellement site de Jabali). Le minerai, après transformation, fournissait annuellement 1 000 000 de dirhams ; toutes les semaines 20 000 dirhams quittaient la mine à dos de chameau. Ce texte a servi de base à des prospections géologiques dans les années 1980. La collaboration entre archéologues et géologues a permis la redécouverte du gisement polymétallique de Jabali, composé surtout de sulfures de plomb (galène), de zinc (blende) et de fer (pyrite). La galène contient de l’argent, les mesures actuelles donnent un taux de 0,1 %. Si les réserves sont importantes, leur exploitation semble actuellement difficile en raison du bas prix des métaux. La mission conduite en février 2004 en collaboration avec l’Université de Paris 1 et le BRGM a été très riche d’enseignements. A Jabali, sur près de 10 hectares s’étend un ensemble considérable de sites d’extractions anciens. Les mineurs exploitaient la zone d’oxydation qui constitue la partie supérieure du gisement, par des carrières à ciel ouvert, des chambres à piliers mais aussi de vastes dépilages souterrains. Trente galeries d’accès ou d’exploitation, d’une longueur de 10 à 150 m sont encore accessibles et des puits atteignant une profondeur de 25 m sont encore ouverts. A proximité immédiate, des résidus de traitement et la présence d’anciennes canalisations d’eau prouvent l’existence d’ateliers d’enrichissement. Les fonderies se trouvaient à 5 km au nord-ouest de la mine, comme l’atteste la présence de nombreux tas de scories.

Jabali : le plus important gisement d’argent de l’'Islam médiéval

26 septembre 2005

Dégradation enzymatique d'un gel

Processus physiques impliqués dans les métastases cancéreuses

Le rôle de la matrice extracellulaire dans les processus tumoraux est important. Cette matrice sert de support indispensable aux cellules saines et malignes, elle doit être dégradée pour laisser migrer les cellules malignes qui engendrent les métastases et elle est remodelée pour créer de nouveaux vaisseaux sanguins . De nombreuses études ont porté sur les aspects biochimiques, très peu sur les aspects physicochimiques. Par sa relative simplicité, la matrice extracellulaire se prête à une réduction en systèmes modèles pour lesquels les techniques de physique sont fructueuses : elle peut être considérée en première approximation comme un gel de collagène soumis à l'action d'enzymes (protéinases) coupant des liens de réticulation, et dans lequel diffusent des particules ( billes de latex ) représentant les cellules tumorales. Acquis : Le caractère anormal de la diffusion d'une enzyme dans un gel a été mis en évidence ponctuellement. La cinétique de dégradation enzymatique d'un gel a été mesurée. Une approche théorique a été développée(analytique et numérique) dans le cadre d'une transition sol-gel appartenant à une classe d'universalité spécifique.La comparaison suggère un éventuel caractère anormal de la diffusion de l'enzyme. Un tel caractère a déjà été mis en évidence, mais dans une gamme de temps très différente. Perspectives : Des efforts expérimentaux importants ont été menés pour étendre ces études : construction d'un montage de corrélation de fluorescence, d'un montage de diffusion macroscopique par photoblanchiment, ébauche de multirhéomètre et acquisition d'un microscope confocal. Ces montages permettront d'étudier de manière de plus en plus fine des systèmes de plus en plus complexes et de plus en plus proches des systèmes physiologiques.

19 juillet 2005

Turbulence in Rotating Flows

François Daviaud, Olivier Dauchot and Bérengère Dubrulle

Major Results

Quasi-linear model of turbulence We have developed a new quasi-linear model of turbulence in collaboration with J.-P. Laval (Lille University) and S. Nazarenko (Warwick, GB). We have shown that this model allows simple understanding of the small scale intermittency. With J. Mc Williams (UCLA), we have also shown how this model could lead to a stochastic approach of the closure problem of Navier-Stokes equations. This method has been applied to the computation of 2D and 3D energy spectra in fluid turbulence with O. Zagorosvski (Warwick, GB), and to the computation of torques in von Karman experiment. The quasi-linear model of turbulence has also been applied to convection. The scaling laws of the turbulent transport have been derived. Logarithmic corrections to scaling have been obtained. This approach has been generalized to the case of large Prandtl number convection, leading to an explanation for an experimental controversy between several experiments.

19 juillet 2005

Granular matter

Olivier Dauchot

Introduction

Dry granular materials are very simple: they are large conglomerations of discrete macroscopic particles. If they are non-cohesive, then the forces between them are essentially only repulsive so that the shape of the material is determined by external boundaries and gravity.

Yet despite this seeming simplicity, granular materials behave differently from any of the other standard and familiar forms of matter : solids, liquids or gases, and should therefore be considered as an additional state of matter in its own right. At the root of this unique status are three important aspects: the existence of static friction, the fact that temperature is effectively zero and, for moving grains, the inelastic nature of their collisions. In some cases, such as a sandpile at rest with a slope less than the angle of repose, static friction produces solid-like behavior: the material remains at rest even though gravitational forces create macroscopic stresses on its surface. If the pile is tilted several degrees above the angle of repose grains start to flow, like in a fluid.
However, this flow is clearly not that of an ordinary fluid because it only exists in a boundary layer at the pile's surface. Also, unlike in an ordinary fluid, kT plays no role in a granular material and entropy considerations can easily be outweighted by dynamical effects that now become of paramount importance. Unless perturbed by external disturbances, each metastable configuration of the material will last indefinitely, and no thermal averaging over nearby configurations will take place. Because each configuration has its unique properties, the reproducibility of granular behavior, even on large scales and certainly near the static limit, can only be defined in terms of ensemble averages.

In order to better understand the dynamical and rheological properties of granular materials, we have investigated surface flows in a rotating drum, then studied the response of a granular pile to a localised surface disturbance. More recently, we have considered the relaxation of a granular pile, following the occurence of an avalanche. Also, we have looked at some application to dunes dynamics and industrial powders flows.

19 juillet 2005

Magneto-Hydrodynamics and Dynamo effect

François Daviaud, Arnaud Chiffaudel et Bérengère Dubrulle & Collab. CNRS et ENS

See the IRAMIS highlight and the CEA-CNRS-ENS press release

Web site of the VKS collaboration

Introduction

Dynamo action, the spontaneous generation of a magnetic field in a flow of conducting fluid, is supposed to be at the origin of the planets and stars magnetic fields. A lot of theoretical and numerical work has been devoted to this problem and it has been demonstrated experimentally in constrained model flows in recent experiments in Riga (Ponomarenko flow) and Karlsruhe (Roberts flow). A demonstration in the case of an unconstrained, turbulent flow, closer to the natural case, is still lacking.
This is mainly due to the fact that to build a dynamo, one must use liquid sodium, with all its incumbent dangers. Moreover, the dynamo will work only if the advection of the magnetic field and generation of current are fast compared to dissipation - namely if the magnetic Reynolds number exceeds a critical value, which strongly depends on the geometry of the flow.

Besides Riga and Karlsruhe, there are several groups around the World working on different dynamo projects: Maryland, Wisconsin and Socorro in USA, Perm in Russia and Grenoble and VKS in France. In France, the dynamo community is gathered through the GDR dynamo led by B. Dubrulle.

In collaboration with S. Fauve (ENS Paris), J.F. Pinton and P. Odier (ENS Lyon), we have designed, constructed and run a liquid sodium experiment called von Karman sodium - VKS - in CEA/Cadarache (DEN/DER/STR). The first configurations have been designed after the results obtained in the water prototype associated with numerical simulations of the induction equation. No dynamo action was observed in this first set of experiments, but many new results concerning the magnetic induction in a turbulent conducting flow have been obtained.

19 juillet 2005

Nonlinear Waves

François Daviaud and Arnaud Chiffaudel

Introduction

Nonlinear Dynamics of traveling waves in 1-D extended systems has been a central research activity in our group since about ten years. Experimental studies have been carried with hydrothermal waves produced by thermocapillary flows in thin layers of fluids. This activity is now terminated, and concluding work has been achieved within the last two years (1-D), or is under progress (2-D).

Major Results

Modulated Amplitude Waves A synthesis of the dynamical processes involved in the propagation of spatio-temporal modulations of nonlinear waves has been reported in a pair of large papers. Special attention has been given on the comparison to recent theoretical and numerical work by groups in Leiden and Firenze. A class of modulated wave solutions of the Complex Coupled Ginzburg-Landau Equation system (CCGLE), called "Modulated Amplitude Waves" (MAWs) have been successfully identified to experimental patterns: stable and turbulent modulations as well as patterns evolving in time towards topological defects (spatio-temporal dislocations) have been recognized. The experimental stability and meta-stability of Eckhaus traveling modulated patterns are understood by the collapse of a stable and an unstable branch into a Saddle-node transition point. Spatio-temporal chaotic regimes The annular 1-D wave experiment has finally been pushed into spatio-temporal chaotic regimes at high level of constraint parameter, well above the onset of primary and secondary instabilities. We observed chaotic behaviors due to the complex dynamics of topological defects, i.e., traveling holes and/or sources and sinks, which denotes a strong competition between right and left traveling-waves. At very high constraint (four times the linear instability threshold of traveling waves), the spatio-temporally chaotic system tends to become composed of both right- and left-traveling waves patches, recovering globally and statistically its basic right/left symmetry broken at the wave threshold. The individual dynamics of the topological defects may be either quite regular (sources, holes) or erratic (sinks, holes) and we tried to connect the statistics of these structures with the nonlinear stability of the local underlying traveling-wave patterns. 2D-systems Yet unpublished data related to the wave stability in 2-D systems are currently under consideration within a collaboration (Picasso Integrated Action) with colleagues at Pamplona University (J. Burguete, C. Perez-Garcia), ENS Paris (B. Etchebarria) and ENS Lyon (N. Garnier). Our goal is a quantitative comparison between 2-D experimental data of onset waves with theoretical linear analysis involving complete convective/absolute treatment of the transition.

Collaborations

H. Chaté, R. Conte : Complex Systems Modelisation Group (SPEC, CEA-Saclay).
C. Normand : Theoretical Physics Department, CEA- Saclay.
N. Garnier : Laboratoire de Physique, ENS Lyon.
J. Burguete, C. Perez Garcia and H. Mancini : Physics Department, University of Pamplona, Spain.

19 juillet 2005

Subcritical Transition to Turbulence

François Daviaud and Olivier Dauchot

Introduction

Studying transition to turbulence, one has to consider two kinds of flows, those subjected to volume force such as gravity, and those dominated by shear. The Rayleigh-Bénard flow (a fluid layer heated from below, in the presence of gravity) as well as the co-rotating Taylor-Couette flow (a fluid layer driven by two co-rotating concentric cylinders) are two very well known instances of the first kind of flow. The volume forces acting inside the flow often generate various linear instabilities of the thermodynamical solution branch. In this case the flow restabilizes in a new state, close enough to the basic state, so that it can be described in a rather simple way, mainly based on a modal description. Usually, the transition to turbulence then occurs through successive linear instabilities, the flow becoming more and more disordered in space and time. These transition are often called super-critical transtion to turbulence. In the case of shear flows, such as the plane Couette flow, or the contra-rotating Taylor-Couette flow, turbulence must be sustained by the shear forces and the flow inertia only. In tghis later case, the transition occurs for Reynolds number (inertial forces to viscous forces ratio) much lower than the linear instability threshold, and in some case when there is no linear instability at all. The transition in this case must be driven by finite amplitude disturnbances. The bifurcated flow is very different from the basic state and already presents a high level of disorder. Up to know, it remains out of reach of most numerical studies as well as theoretical approaches. These transitons, often called subcritical transition to turbulence are our major focus here.

Experiments

We have set up two experiments to study subcritical transition to turbulence. The first one in a plane Couette flow appartatus. The plane Couette flow is known to be linearly stable for any Reynolds number, so that its transition to turbulence can be considered as the prototype of subcritical tarnsitions. The second one is a Taylor-Couette apparatus, in which both supercritical and subcritical transitions can be studied. Both visualizations, image processing and laser doppler velocimetry are performed on these flows.

15 juin 2005

Systèmes magnétiques frustrés

Dans des systèmes magnétiques désordonnés tels que les verres de spin, la frustration des interactions magnétiques contradictoires produit un grand nombre d'états métastables. La dynamique qui en résulte est vitreuse, avec des temps de réponse à toutes les échelles, de la fraction de seconde à plusieurs siècles. Des phénomènes de vieillissement, rajeunissement et mémoire sont observés. Ces propriétés générales de systèmes hors d'équilibre sont retrouvées dans d’autres situations de dynamique vitreuse : rhéologie et propriétés diélectriques des verres structuraux, polymères, colloïdes, etc...

08 avril 2005

Les verres de spin

Les verres de spin sont des systèmes magnétiques dans lesquels les interactions entre les atomes sont aléatoirement de signe ferro- ou anti-ferromagnétique. En pratique, ils sont par exemple obtenus par dilution aléatoire d’ions magnétiques. La frustration des interactions contradictoires produit un grand nombre d'états métastables. La dynamique qui en résulte est "vitreuse" (c'est à dire avec des temps de réponse à toutes les échelles), et des phénomènes de "vieillissement" sont observés: les propriétés de dynamique lente dépendent du temps écoulé à partir du passage sous la tempoérature de gel. Ces propriétés de systèmes restant perpétuellement hors d'équilibre peuvent être mises en parallèle avec celles d'autres systèmes vitreux : rhéologie ou propriétés diélectriques des verres polymériques ou structuraux, des colloïdes, etc...

Les verres de spin présentent des effets très marqués de "rajeunissement et mémoire" : chaque pas de refroidissement supplémentaire semble réinitialiser le vieillissement (rajeunissement), et pourtant la mémoire de vieillissements effectués pendant différents paliers en température au cours du refroidissement est retrouvée lors du réchauffement. Ces phénomènes, bien décrits par une structure hiérarchique des états métastables en fonction de la température, doivent maintenant être compris en termes d'organisation des spins dans l'espace "réel". Nous pouvons considérer qu'au cours du vieillissement les spins réussissent progressivement à minimiser leurs énergies d'interaction sur des distances croissantes, qui définissent une "longueur de corrélation dynamique". La mémorisation de plusieurs vieillissements à différentes températures correspond ainsi au gel de structures à des échelles de longueur très différentes. La détermination directe de ces échelles de longueurs imbriquées est un défi important pour les expérimentateurs, en relation étroite avec les théoriciens de physique statistique des systèmes désordonnés. Ces travaux sont soutenus par le réseau européen :

Europe DYGLAGEMEM (“Dynamics and statics of glasses and spin glasses: from aging to memory and equilibrium structures”).

17 février 2005

Les systèmes topologiquement frustrés

Ce sont des systèmes magnétiques parfaitement ordonnés dans lesquels la géométrie du réseau cristallin et, éventuellement, l’anisotropie locale conduisent à l’impossibilité pour toutes les interactions d’être dans leur configuration d’énergie minimale. L’exemple le plus simple est un réseau triangulaire bidimensionnel d’ions magnétiques isotropes couplés par une interaction antiferromagnétique. L’intérêt de ces matériaux provient de la grande diversité des états fondamentaux due à la frustration des interactions. D’une manière générale, l’état de base est un état à fluctuations de spin, qui perdurent jusqu’à très basse température.

Notre groupe s’est attaché récemment à mettre en évidence ces fluctuations, aussi bien dans les systèmes sans ordre magnétique à longue distance (les liquides de spin), comme les grenats de Ga et d’Yb et de Gd, et le composé Yb₂Ti₂O₇, que dans les systèmes ordonnés comme les pyrochlores Gd₂Ti₂O₇ et Gd₂Sn₂O₇. Les fréquences de fluctuation à basse température sont relativement lentes dans les composés ordonnés (de l’ordre du MHz) ; elles ont été mesurées par spectroscopie de muons. Dans les composés liquides de spin, elles sont plus rapides (de l’ordre du GHz), et elles ont été obtenues par spectroscopie Mössbauer sur ¹⁷⁰Yb et ¹⁵⁵Gd. Le cas de Yb₂Ti₂O₇ est à part : nous avons montré que la transition à 0.25 K ne mène pas vers un ordre magnétique à longue distance, mais correspond à une chute de la fréquence de fluctuation de spin d’au moins 4 ordres de grandeur. Cette transition est l’analogue magnétique de la transition liquide-gaz.

22 juillet 2005

Surfaces métalliques et croissance

La formation de motifs structuraux à l'échelle nanométrique est abordée à l'aide de la croissance de couches minces. Cette approche s’appuie sur la compréhension, jusqu’à l’échelle atomique, des processus cinétiques pertinents. Une exploitation judicieuse de la hiérarchie énergétique de ces mécanismes conduit, par organisation spontanée de la matière déposée, à l’émergence d’un arrangement périodique de nanostructures de géométrie spécifique. Ces surfaces nanostructurées peuvent ensuite être utilisées comme matrices afin de piloter la croissance d’autres matériaux. Ainsi, en une seule étape, une grande densité de nano-objets identiques est élaborée, point de départ à l’exploration de leurs propriétés physiques originales. Outre les techniques de croissance, l'interaction d'ions ou même de lumière avec des surfaces peut également mener à une formation de motifs nanométriques.

22 juillet 2005

Couches minces d'oxydes à haute permittivité

Etudes en photoémission

La photoémission est une technique puissante pour étudier la structure électronique des matériaux. La photoémission à haute énergie (5-10 keV) permet en particulier de sonder les états électroniques des niveaux de cœur, permettant de connaître l'environnement chimique d'un élément donné. Le rayonnement synchrotron, puissant et accordable, autorise aujourd'hui des résolutions énergétiques très élevées (de l'ordre du meV) ainsi que le développement de nouvelles imageries en photoémission (tel que le développement en cours d’un instrument NanoESCA en collaboration avec le LETI-CEA). Couplés à d'autres techniques telles que la diffraction de rayons X (ESRF), la microscopie électronique et les méthodes de calcul ab-initio permettant de simuler les spectres, la photoémission est une technique incontournable pour l'étude des nouveaux dispositifs semi-conducteurs tels que les dispositifs CMOS. Leurs miniaturisation implique la réduction de la longueur du canal à des valeurs inférieures à 100 nm à l’horizon 2010. Pour ceci des épaisseurs d’oxyde de grille de l'ordre du nanomètre devront être atteints. Le remplacement, par exemple, de la silice par des oxydes à haute permittivité permet d'atteindre des épaisseurs physiques d’environ 4 nm, des courants de fuite acceptables et des performances capacitives et électroniques intéressantes. Les silicates d’hafnium sont parmi les meilleurs candidats parmi ces oxydes de grille à haute permittivité.

Couches minces d'oxydes à haute permittivité

19 juillet 2005

Surface des quasicristaux

La découverte des quasicristaux en 1982 a été une révolution en physique du solide. Un cristal pouvait avoir une symétrie d ’orientation d’ordre 5 interdite par la cristallographie classique. En contre partie, la structure est apériodique. On distingue les quasicristaux à symétrie icosaédrique (apériodique à N=3 dimensions) et dodécagonale (N=2). Les études par diffraction de rayons X et de neutrons permettent aujourd’hui de décrire la structure de ces solides. Pour décrire celle-ci, les coordonées des atomes font intervenir des nombres de la forme (n+m τ, où τ est un irrationnel, égal au nombre d'or pour les quasicristaux icoséaédriques). Le réseau apériodique peut alors être décrit dans un espace de dimension (NxN) Concernant les surfaces de quasicristaux, les études par diffraction d'hélium et par microscopie à effet tunnel (STM) d'une surface de symétrie 5 d'un alliage i-AlPdMn montrent de grandes terrasses séparées par des marches de hauteur supérieure aux distances minimales entre plans. La surface est constituée de plans riches en aluminium. Les images STM à haute résolution et les séquences de marches peuvent être interprétées à l'aide du modèle polyhedral Katz-Gratias à NxN=6 dimensions. Comme pour les cristaux d'alliage ordonnés usuels (Cu₃Au, Cu₈₃Pd₁₇...) les terrasses correspondent à des plans riches en élément ségrégeant (aluminium). Cependant, les plans n'étant pas tous de même densité, il faut ajouter un critère de sélection sur la densité du plan terminal et du plan immédiatement inférieur.

19 juillet 2005

Vibrational properties of Cu vicinal surfaces

We have derived an N-body semi-empirical potential for FCC Cu which has some similarity with the so-called tight-binding second moment potential. However it improves the numerical values of the surface energies and gives the best results when the interactions are cut off between the second and third nearest neighbours. In particular this cut-off produces atomic relaxations at low index surfaces in good agreement with experiments. This has important consequences since any calculation of the phonon spectrum starts from the determination of the equilibrium atomic structure and the variation of the interatomic distances modifies the corresponding force constants. Its transferability is checked on a detailed study of the low index surfaces (111), (100) and (110).

19 juillet 2005

Surface diffusion of Cu on Cu(111)

We have undertaken a systematic study of the diffusion barriers encountered by Cu adatoms or very small clusters in various atomic geometries, with the purpose of finding a simple formula able to provide a good estimation of the diffusion barriers as a function of the atomic environment of the diffusing atom. The final aim is to use them as input in a Kinetic Monte Carlo (KMC) code. Indeed, in this type of simulation it is quite risky to consider only a few diffusion mechanisms and, since it is obviously impossible to calculate a priori all of them, a simple expression is highly desired. KMC then allows one to simulate long time scale processes much faster especially when a simple expression is available to estimate barriers.

Références
M.C. Marinica, C. Barreteau, M.C. Desjonquères and D. Spanjaard. Influence of short-range adatom-adatom interactions on the surface diffusion of Cu on Cu(111). Phys. Rev. B 70. 075415 (2004)

15 juin 2005

Généralités sur la Modélisation des surfaces, interfaces et nanostructures

13 janvier 2005

Stabilité des surfaces vicinales

Stabilité des surfaces à marche

Les propriétés énergétiques des marches atomiques gouvernent la morphologie des surfaces et sont cruciales pour comprendre la forme des cristaux, la croissance épitaxiale, la fabrication de nanostructures ou la rugosité.

Une surface vicinale est obtenue en "coupant"un cristal suivant une direction proche d’une orientation de haute symétrie avec une désorientation θ. Elle est formée d’une succession périodique de marches séparées par des terrasses, la direction Δ des arêtes étant l’axe de désorientation.

13 janvier 2005

Morphologie et énergétique des surfaces vicinales de métaux de transition

Les surfaces vicinales sont des objets fascinants tant sur le plan expérimental que théorique. Elles connaissent actuellement un regain d'intérêt pour leur utilisationdans la fabrication de nanostructures bien ordonnées par dépôt d'atomes.En effet les surfaces vicinales sont formées d'une succession périodique de marches séparées par des terrasses dont la largeur dépend de l'angle de désorientation. Ce sontdes objets de basse symétrie qui conjuguent à la fois l'aspect unidimensionnel des marches et bidimensionnel confiné des terrasses. Leurs propriétéss reflètent cette ambivalence dont on peut tirer profit dans les applications. Les terrasses sont limitées d'un côté par une marche ascendante et de l'autre côté par une marche descendante.

Pages scientifiques 2005

Électronique et optique du futur

Synthèse et caractérisation des nano-objets / Synthesis and characterization of nano-objects

Physique et chimie pour le vivant et l’environnement

Technique utilisée :

Technique utilisée :

Interaction laser-matière

Matériaux des nouvelles technologies pour l’énergie

Systèmes complexes et transition énergétique

Major Results

Introduction

See the IRAMIS highlight and the CEA-CNRS-ENS press release

Introduction

Introduction

Major Results

Collaborations

Introduction

Experiments

Les archives de l'IRAMIS et du DRECAM / Archives of DRECAM and IRAMIS