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Sujets de stages / thèses

Offres de stages, thèses

Instabilités RMN et renversement temporel dans l’3He liquide hyperpolarisé

Stage de M2 / sujet de thèse (modifié le 16/10/2009)

Contact : Pierre-Jean Nacher ou Geneviève Tastevin

Contexte – En RMN conventionnelle, où les systèmes observés sont faiblement aimantés, on utilise largement des techniques faisant intervenir un “renversement du temps” au cours de l’évolution de l’aimantation afin d’obtenir des « échos » dans les signaux. Mais celles-ci ne conviennent pas pour les systèmes fortement aimantés, où les couplages magnétiques non linéaires entre les différentes parties de l’échantillon induisent une dynamique très complexe et parfois chaotique. De faibles perturbations initiales peuvent y évoluer catastrophiquement vers un très grand désordre, provoquant une disparition brutale du signal détecté ; l’aimantation, devenue instable, échappe alors à tout contrôle extérieur par les champs appliqués. Nous étudions actuellement ces instabilités dans l’hélium-3 (polarisé par pom-page optique avant liquéfaction) en solution diluée dans de l’hélium-4 superfluide. Grâce à une sé-quence d’impulsions rf dérivée du “sandwich magique” (développé dans les années 1970 en RMN du solide), nous avons montré qu’après une phase d’évolution libre instable, caractérisée par l’effondrement du signal RMN en quelques centièmes de seconde, l’aimantation pouvait être forcée à évoluer à rebours et des échos de spin observés bien au-delà de la disparition du signal. Nous avons également réussi à stabiliser dynamiquement l’aimantation grâce à des trains de “sandwichs magi-ques” enchaînés, démontrant que l’alternance rapide de phases d’évolution libre et d’évolution à re-bours permet d’allonger plus de mille fois la durée de vie du signal. Ces résultats, cœur du travail de thèse d’E. Baudin (2006-09) montrent le potentiel de telles séquences pour étudier l’évolution RMN de liquides fortement aimantés.

Sujet du stage – Les limites rencontrées pour l’instant lors des expériences de retournement temporel, qui fournissent des échos incomplets, pourraient résulter d’un défaut de l’expérience qui sera modifiée prochainement. Le stage consistera à faire de nouvelles mesures RMN sur l’hélium liquide polarisé, pour observer si le problème est (au moins partiellement) résolu, puis à trouver un compromis acceptable entre un bon contact thermique avec l’échantillon et une faible perturbation des mesures RMN.

Thèse – Lorsque les séquences RMN pourront efficacement refocaliser l’aimantation dans le liquide, l’atténuation résiduelle des échos sera révélatrice de l’irréversibilité fondamentale associée à la diffusion atomique. Le premier axe de travail proposé consistera à mesurer cette atténuation dans diverses conditions expérimentales pour caractériser les échelles spatiales auxquelles les structures magnétiques qui apparaissent lors de la précession libre s’auto-organisent au sein du liquide. Un autre axe d’études est offert par le contrôle actif de la rétroaction du circuit de détection sur l’aimantation de l’échantillon. Ce couplage, responsable de l’amortissement cohérent (“radiation damping”), introduit un terme non linéaire global dans l’équation d’évolution de l’aimantation qui s’ajoute à celui venant des interactions magnétiques entre noyaux. Pour l’instant, nous le supprimons pour étudier l’instabilité intrinsèque au liquide aimanté. Mais il est aussi possible de juste l’atténuer ou, au contraire, de l’amplifier pour étudier précisément les effets conjugués de ces deux non linéarités. Ce travail bénéficie de collaborations externes (CEA, U. Vancouver) et du soutien de l’ANR. Il s’effectuera avec l’aide supplémentaire d’un chercheur post-doc nouvellement recruté par l’équipe.

Pour en savoir plus : voir ’à la une’ et les pages du groupe sur la RMN des fluides fortement polarisés, et les références et liens qui y figurent.

Effets relaxants de la diffusion multiple des photons dans un plasma d’hélium

Stage de M2 / sujet de thèse (modifié le 16/10/2009)

Contact : Pierre-Jean Nacher ou Geneviève Tastevin

Contexte – Dans un plasma d’hélium, divers états excités sont peuplés par collisions électroniques. Ceci est couramment utilisé pour le pompage optique (P.O.) de l’état atomique métastable 2³S, qui permet d’obtenir de fortes polarisations nucléaires dans l’³He, avec d’importantes applications dans plusieurs domaines : IRM des poumons, filtres polarisants pour les neutrons, cibles polarisées pour la physique des hautes énergies, études de liquides de Fermi polarisés... Nos études récentes du P.O. de l’³He dans des conditions exotiques (lasers intenses, fortes pressions, champ magnétique intense) suggèrent que deux facteurs pourraient être responsables d’une importante relaxation nucléaire (et, donc, d’une perte d’efficacité du P.O.) exacerbée à forte intensité laser : la présence de molécules métastables He₂* et la réabsorption de la lumière de fluorescence (diffusion multiple des photons).

Le sujet de ce stage est la construction d’une expérience de P.O. à deux cellules destinée à quantifier l’effet de la réabsorption de la lumière de fluorescence (non polarisée, due à la désexcitation des atomes par émission spontanée) sur la relaxation nucléaire. Au sein d’un gaz soumis à un P.O. intense, ce processus de réabsorption entre en compétition avec l’absorption de la lumière du laser de pompe (circulairement polarisée, servant à produire l’orientation nucléaire souhaitée), et le résultat de cette compétition est difficile à prévoir théoriquement.. Pour savoir si une augmentation significative du taux de relaxation nucléaire se produit, on collectera la lumière de fluorescence émise par une cellule soumise à un très fort P.O. et on en caractérisera l’impact éventuel sur l’évolution d’une polarisation nucléaire préalablement obtenue dans une deuxième cellule, disposée à proximité de la première.

Thèse – L’étude des effets de la diffusion multiple sera une composante importante d’un travail de thèse consacré à l’étude des processus limitant la polarisation nucléaire dans un plasma d’³He soumis à un P.O. intense. Nous espérons déterminer dans quelles circonstances cette réabsorption joue un rôle significatif et trouver des stratégies pour en diminuer l’impact. La thèse concernera également la recherche d’une corrélation entre la création de molécules He₂* (détectées grâce à un laser à 465 nm récemment développé dans l’équipe) et l’augmentation du taux de relaxation nucléaire. Les objectifs sont d’une part de comprendre l’origine des limitations rencontrées dans les conditions habituelles de P.O. et de repousser ces limitations, et d’autre part d’améliorer encore les performances du P.O. dans les conditions exotiques récemment explorées. Les enjeux de ce travail sont autant fondamentaux que pratiques, notamment pour aboutir à une meilleure efficacité de production de gaz pour toutes les applications qui requièrent de l’hélium très polarisé et très dense.

Pour en savoir plus : voir le poster joint et les pages du groupe sur la production d’hélium-3 polarisé et les références et liens qui y figurent.

Mesures optiques dans des plasmas d’hélium 3

Stage de L3 (modifié le 16/10/2009)

Contact : Pierre-Jean Nacher ou Geneviève Tastevin

On caractérisera la répartition spatiale et l’évolution temporelle d’états excités au sein de plasmas entretenus par décharges rf dans des cellules contenant de l’hélium-3. Ces mesures contribueront à permettre de comprendre et dépasser les limites rencontrées lors du pompage optique de l’hélium3, qui est utilisé pour de nombreuses applications.

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