Les supercalculateurs russes au service des matériaux du futur

Le laboratoire « modélisation et conception de nouveaux matériaux » du MISiS a modélisé sur supercalculateur le comportement d’osmium métallique à très haute pression.

L’osmium métallique est un matériau élémentaire exceptionnel, en ce qu’il possède, à pression ambiante, la plus haute densité, ainsi que l’une des énergies de liaison et l’une des températures de fusion les plus hautes connues. Il est également très peu compressible, bien que son comportement à haute pression soit encore mal connu.

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Ce travail s’inscrit dans un projet impliquant l’Université de Bayreuth (Allemagne), les synchrotrons de l’APS (États-Unis), de l’ESRF (France) et de PETRA III (Allemagne), ainsi que des supercalculateurs de Suède et de France.

L’équipe du MISiS, sous la direction d’Igor Abrikossov (Université de Linköping, Suède), a reproduit l’expérience de mécanique quantique menée par les chercheurs de l’Université de Bayreuth. Ceux-ci ont étudié les modifications de la structure cristalline de l’osmium métallique (Os) sous 770 GPa (7,7 Matm), ce qui constitue un record mondial (le précédent était de 4 Matm). Cette pression record a été atteinte en utilisant des micro-hémisphères de nanodiamant, ce qui est une amélioration par rapport aux méthodes classiques d’enclumes de diamant, permettant d’élargir la gamme de pression dans ces expériences de compression statistique et d’atteindre plus de 750 GPa (deux fois la pression au centre de la Terre).

L’expérience a mis en lumière la stabilité inattendue de l’osmium : sa structure hexagonale compacte est semblable à 770 GPa et à pression atmosphérique. Des mesures par diffraction aux rayons X ont montré des anomalies du comportement du paramètre de maille à 150 GPa et 440 GPa, non décrites antérieurement. La première peut correspondre à un changement topologique de la surface de Fermi, la seconde à une transition électronique associée à des interactions entre électrons internes. C’est ce qu’a mis en lumière la modélisation du MISiS, s’appuyant sur la mécanique quantique, montrant qu’à cette pression les phénomènes d’interaction électronique ne touchent plus uniquement les électrons externes (de valence). La possibilité d’influer sur les électrons internes, même dans ce métal incompressible, sous pression statique, ouvre des perspectives prometteuses dans la recherche sur les états de la matière. Le supercalculateur utilisé au sein du MISiS traite jusqu’à 33 trillions d’opérations par seconde (33 Tflops).

Les résultats permettent d’étudier de nouveaux états de la matière à pression extrême, et devraient aider à créer des supraconducteurs de nouvelle génération et de comprendre la constitution des planètes géantes et des étoiles. Ces travaux ont fait l’honneur du journal Nature.

Rédacteur : Aurélien Leynet

Sources :
Communiqué du MISiS
Article de la revue scientifique Nature

publié le 29/02/2016

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