Rydberg atoms are by definition atoms which have been excited to a state with a large principal quantum number, resulting in exaggerated properties such as a large atomic size, a long lifetime compared to other excited states and large matrix elements for the dipole operator. In practice, dipole-dipole interactions between Rydberg atoms are at the heart of quantum simulations, where they are used to create entangled atomic states. But the large dipole of Rydberg atoms can also result in a strong coupling with external electromagnetic fields, making these atoms good candidates to be used as very sensitive probes of electromagnetic environment in the GHz to THz range. I this talk, I will give a brief overview of the state of the art of quantum simulation and quantum metrology with Rydberg atoms, and present the ongoing project that we have in the QTech lab at ONERA about quantum metrology with cold Rydberg atoms trapped in optical potentials. Possible applications include electromagnetic intelligence, THz imaging and scientific applications such as the calibration of black-body shifts in state-of-the-art optical clocks (in collaboration with SYRTE and laboratoire Aimé Cotton).
Depuis 2017, IFPEN est entrée pleinement dans la course à la conception accélérée de nouveaux matériaux avec des modèles créant des liens entre synthèse et propriétés effectives. Ses équipes IA et matériaux proposent de nouveaux outils de génération et de caractérisation numériques de microstructures de matériaux. Cette approche considère de façon réaliste la microstructure pour capter des détails morphologiques et topologiques aux échelles d’intérêts. Des modèles numériques font le lien avec des paramètres de synthèse ou de mise en forme, et estiment les propriétés texturales et d’usages. Lors de cet exposé, nous aborderons les idées générales de cette approche, des exemples de microstructures multi-échelles, et quelques récents travaux concernant les caractérisations numériques texturales comme la tortuosité et la simulation de physisorption accélérée par apprentissage profond.
Université Paris-Saclay, CEA, Service de Recherches de Métallurgie Physique, 91191 Gif-sur-Yvette
A basse température, la plasticité des métaux de transition cubiques centrés (CC) s’opère par le glissement dans les plans compacts {110} des dislocations vis de vecteur de Burgers ½<111>, subissant une forte friction avec le réseau cristallin. L’objectif de ce travail est de construire des lois d’écoulement plastique à partir de l’étude à l’échelle atomique des propriétés de coeur et de la mobilité de ces dislocations vis (par calculs ab initio et de dynamique moléculaire), permettant de les relier à des propriétés mécaniques macroscopiques (limite élastique, activité des systèmes de glissement). Dans le cadre de cette étude, une attention particulière est portée au cas du chrome (Cr), le seul de ces métaux ayant une structure proche de l’antiferromagnétisme, une onde de densité de spins, en-dessous de la température ambiante. Afin de qualifier l’influence du magnétisme sur la plasticité du Cr, des calculs ab initio à température nulle ont été couplés à des simulations Monte Carlo à température finie. Cette étude a permis de conclure à une influence marginale du magnétisme, mis à part à très basse température où le vecteur de Burgers ½<111> des dislocations génère des fautes magnétiques puisque celui-ci ne respecte pas l’ordre magnétique du Cr. Par la suite, une étude systématique portant sur l’ensemble des sept métaux de transition CC (vanadium, niobium, tantale, chrome, molybdène, tungstène et fer) a permis de développer un critère d’écoulement reproduisant les caractéristiques expérimentales des effets dits « non-Schmid », une spécificité de ces métaux à basse température. Cependant, certains effets ne peuvent pas être décrits par ce critère, tenant uniquement compte du mouvement de dislocations isolées. C’est le cas par exemple du glissement anomal, observé dans tous les métaux CC excepté le fer, et caractérisé par le glissement de dislocations ½<111> dans des plans {110} faiblement sollicités. A partir d’observations in situ dans un microscope électronique en transmission réalisées par Daniel Caillard (CEMES-CNRS, Toulouse), couplées à des simulations atomiques, un nouveau mécanisme expliquant ce phénomène dans l’ensemble des métaux CC a été mis en évidence, basé sur la mobilité exceptionnelle de multi-jonctions. Enfin, la mobilité de dislocations ayant un vecteur de Burgers <100>, le plus souvent observées sous forme de jonctions entre dislocations ½<111> mais rarement considérées comme des systèmes de glissement possibles, a été étudiée par simulations atomiques. Il a été mis en évidence que, malgré une mobilité compétitive des dislocations vis <100> avec les conventionnelles ½<111> dans les plans {110}, les dislocations <100> se bloquent à basse température selon une orientation mixte nécessitant une contrainte très élevée pour se déplacer, expliquant ainsi leur faible activité.
Construire des modèles pour la plasticité, la thermodynamique et la cinétique des métaux est un défi car les aspects subtils de la cohésion atomique doivent être fidèlement reproduits et les prédictions nécessitent souvent une moyenne sur de grands ensembles de configuration complexes. Je discuterai de la manière dont les paysages énergétiques des systèmes atomiques peuvent être rapidement explorés à grande échelle et « coarse-grained » lorsque la dynamique est thermiquement activée, donc séparée en échelle [1,2] et comment les techniques basées sur les données, généralement utilisées pour régresser les énergies pour les modèles cohésifs modernes, peuvent être utilisés pour capturer une gamme beaucoup plus large de propriétés telles que l’entropie des défauts[3] ou les propriétés de dislocation. Lorsque la dynamique n’a pas une séparation d’échelle de temps claire, le grain grossier est beaucoup plus difficile. Je discuterai de la manière dont une approche basée sur les données peut fournir une solution, produisant des modèles de substitution efficaces qui peuvent prédire l’évolution des ensembles de nanoparticules et le rendement de microstructures complexes, offrant de nouvelles perspectives pour les approches de modélisation multi-échelles[4].
[1] TD Swinburne and D Perez, NPJ Comp. Mat 2020, MSMSE 2022 [2] TD Swinburne and DJ Wales JCTC 2020, 2022 [3] C Lapointe et al. PRMat 2020 [4] TD Swinburne, In Prep.
Marc Legros, Romain Gauthier, Armin Rajabzadeh, Frédéric Mompiou et Nicolas Combe
CEMES-CNRS, Toulouse
La plupart des matériaux cristallins qui nous entourent (métaux, alliages, céramiques) sont polycristallins, constitués de « grains », séparés par des « joint de grains ». Ces frontières entre domaines d’orientation différentes déterminent certaines propriétés physiques et notamment leur comportement mécanique. On peut par exemple rendre malléable une céramique ou au contraire durcir un métal en réduisant la taille de ses cristallites à travers la fameuse loi de Hall-Petch [1,2], établie de façon phénoménologique pour les aciers il y a 70 ans. Physiquement, cette relation peut s’expliquer par l’effet d’obstacle que jouent les joints de grains sur les dislocations, qui sont les vecteurs principaux de la déformation plastique. Lorsque les grains deviennent nanométriques, le seuil de plasticité sature ou décroit, ce qui est généralement attribué à des processus plastiques portés par les joints de grains eux-mêmes, comme la rotation, le glissement intergranulaire et/ou le couplage migration/cisaillement. Des mécanismes surtout observés dans les métaux à petits grains, mais rarement quantifiés expérimentalement, hormis lors d’expériences sur bicristaux [3]. Le modèle de Cahn & Mishin (C&M) [4,5], qui a popularisé le couplage migration-cisaillement, prévoit que le facteur de couplage augmente avec la désorientation du joint. En d’autres termes, lorsqu’un joint migre, il produit d’autant plus de cisaillement que sa désorientation est forte. Les rares mesures faites sur polycristaux, expérimentalement plus complexes à réaliser, ne semble pas attester cette tendance. Et les nanocristaux métalliques ne sont pas connus pour leur déformabilité.
Pour en avoir le cœur net, nous avons, depuis une dizaine d’années étudié les mécanismes de déformation liés à la migration des joints de grain, à la fois en microscopie électronique en transmission (MET) in situ , à l’aide de simulations atomiques par dynamique moléculaire et plus récemment par microscopie à force atomique (AFM), le tout couplé avec des techniques de cartographie d’orientation cristalline. On peut ainsi suivre le mouvement de joints connus et même quantifier de façon statistique le cisaillement produit dans de l’aluminium à grains ultra fins. En l’absence de dislocation, ce couplage migration-cisaillement est le principal vecteur de la déformation plastique [6]. Ce couplage est par contre beaucoup plus faible que celui prédit par le modèle C&M, ce qui explique le faible rendement des mécanismes de plasticité par joint de grains, et donc la faible ductilité des nanocristaux métalliques.
[1] EO Hall. The deformation and ageing of mild steel: III Discussion of results. Proceedings of the Physical Society Section B 1951;64:747–53. [2] NJ Petch. The cleavage strength of polycrystals: Journal of the Iron and Steel Institute, v. 174. 1953 [3] T Gorkaya, DA Molodov, G Gottstein. Stress-driven migration of symmetrical 〈100〉 tilt grain boundaries in Al bicrystals. Acta Materialia 2009;57:5396–405. [4] JW Cahn, JE Taylor. A unified approach to motion of grain boundaries, relative tangential translation along grain boundaries, and grain rotation. Acta Materialia 2004;52:4887–98. [5] JW Cahn, Y Mishin, A Suzuki. Coupling grain boundary motion to shear deformation. Acta Materialia 2006;54:4953–75. [6] R Gautier, A Rajabzadeh, M Larranaga, N Combe, F Mompiou, M Legros. Shear-coupled migration of grain boundaries: the key missing link in the mechanical behavior of small-grained metals. Comptes Rendus Physique 2021;22:1–16.
Centre des Matériaux, MINES Paristech, CNRS UMR 7633
La tomographie par contraste de diffraction reste la méthode de caractérisation de la cartographie des grains en 3D la plus rapide et permet d’approfondir la caractérisation d’emplacements de cristallographique spécifique. Couplée à des essais mécaniques in situ, que nous développons depuis quelques années au CDM, elle offre un moyen unique de sonder les mécanismes de déformation et de fracture des matériaux de structure. Des expériences corrélatives à plus haute résolution peuvent maintenant être réalisées pour obtenir une observation « zoomée » dans des grains sélectionnés. Nous passerons en revue plusieurs techniques qui peuvent être utilisées au synchrotron européen, comme la topo-tomographie à rayons X, la 3DXRD ou la microscopie à rayons X. Un exemple pour caractériser la localisation des déformations plastiques dans les métaux sera présenté. La méthode étant de plus en plus automatisée, elle permet des mesures quantitatives et statistiques dans la masse de la microstructure. Enfin, le couplage des expériences avec les calculs par éléments finis de la plasticité cristalline à l’échelle du grain sera discuté comme une clé pour découvrir les mécanismes de déformation de la microstructure.
La Fabrication Additive suscite un grand intérêt à la fois dans les milieux académiques et industriels notamment en vue d’une réduction des déchets de matières premières et pour l’optimisation des composants fabriqués. Pendant le stage réalisé entre l’unité SIAM du DMAS/ONERA et le LEM (CNRS/ONERA), une attention particulière a été portée à l’impact de l’écrouissage thermique sur la précipitation des phases intermétalliques dans l’alliage d’aluminium Al-4Fe, fabriqué par fusion laser sur lit de poudre (L-PBF pour Laser Powder Bed Fusion). Dans un premier temps, une étude expérimentale à différentes échelles a été réalisée afin de caractériser la microstructure du matériau Al-4Fe dans son état métallurgique après fabrication. Les échantillons étudiés sont issus de différentes conditions de fabrication. La microstructure de grains ainsi que la précipitation de phases riches en fer ont été étudiées par différentes techniques de microscopie (optique, MEB, TEM). Dans un deuxième temps, l’évolution de la dureté et les modifications de la microstructure suite à la mise en œuvre de différents traitements thermiques post-fabrication ont été caractérisées. Les petites désorientations à l’intérieur des grains ont été mesurées par EBSD afin d’obtenir des informations sur l’écrouissage du matériau lors de ces traitements. Enfin, les différentes contributions nécessaires au développement d’une modélisation de la dureté de ces alliages ont été discutées.
Mardi 28 septembre 2021 à 9h30
en visioconférence sur le lien suivant : https://rdv.onera.fr/seminaireLEM
A l’échelle nanométrique, les nanomatériaux possèdent des propriétés uniques qui diffèrent fortement de celles du matériau massif. Dans le cas des nanoparticules de type AgPt, nous avons cherché à étudier la transition solide-liquide de nanoparticules de différentes tailles et compositions. Dans ce but, nous avons effectué des simulations à l’échelle atomique à partir d’un potentiel semi-empirique intégré dans un code Monte Carlo pour relaxer les structures. En procédant ainsi, nous avons observé que la température de fusion diminue avec la taille des nanoparticules (systèmes purs et alliages). Par ailleurs, cette même température de fusion augmente avec la composition en Pt. Toutefois, notre analyse fine montre que la fusion de la nanoparticule passe systématiquement par une étape intermédiaire avec un coeur cristallin (pur Pt ou AgPt selon la composition) et une couche d’Ag liquide.
Jeudi 29 juillet 2021 à 11h00
en visioconférence sur le lien suivant : https://cnrs.zoom.us/j/98877547159
Dans cet exposé, E. Epifano présentera les résultats de ses recherches postdoctorales menées à l’ONERA. La présentation comprendra deux parties. Dans la première partie, la solubilité et la diffusion des atomes légers (B, C, N, O) dans la phase intermétallique γ-TiAl sont étudiées par des calculs ab initio. L’accommodation des atomes légers dans les différentes positions interstitielles est étudiée par la théorie de la fonctionelle de la densité. Les barrières d’énergie pour leur diffusion entre les différents sites interstitiels sont calculées en utilisant la méthode Nudged Elastic Band (NEB) et les taux de saut atomique sont obtenus à partir de la théorie de l’état de transition. Les coefficients de diffusion sont obtenus à partir de la solution de l’équation de transport dans la limite du temps infini, en utilisant la méthode analytique de diffusion multi-états.
Dans la deuxième partie, des études expérimentales de la résistance à l’oxydation des phases MAX sont présentées. Les phases MAX constituent une nouvelle classe de matériaux qui présentent une combinaison extraordinaire de caractéristiques à la fois métalliques et céramiques. Certains des MAX sont alumina-formeurs et présentent donc une excellente résistance à l’oxydation. Les résultats présentés ici concernent une étude sur la phase quaternaire (Tix,Ga1-x)3AlC2, réalisée en collaboration avec l’Université Drexel de Philadelphie.
1Université de Lorraine – CNRS – Arts et Métiers – LEM3, Metz, France 2LabEx Damas – Université de Lorraine, Metz, France antoine.guitton@univ-lorraine.fr www.antoine-guitton.fr
Potentiel de l’A-ECCI pour les comparaisons multi- échelles entre les expériences et les simulations.
Bien que la mécanique des matériaux soit âgée de plus d’un siècle, elle reste encore confrontée à de nombreux défis conceptuels. Il faut, en effet, relier deux échelles extrêmes : l’échelle de l’échantillon (c.-à-d. macroscopique) et l’échelle des mécanismes fondamentaux (c.-à-d. microscopique). De plus, les statistiques d’observations sont généralement extrêmement faibles, si bien que d’une part l’incertitude est élevée et d’autre part la représentativité des mécanismes est très discutable.
La Microscopie Électronique en Transmission (MET) est l’une des techniques les plus connues pour observer et caractériser les dislocations dans des lames minces transparentes aux électrons (épaisseur de ≈100 nm avec un champ de vision utile de quelques μm) (1–4). Des études détaillées des dislocations à l’échelle microscopique apportent, en effet, des informations précieuses pour l’extrapolation de la réponse mécanique macroscopique des matériaux et peuvent alimenter des modèles numériques avancés de plasticité cristalline (4). Cependant, des questions fondamentales sur la représentativité des phénomènes observés doivent être soulevées, lors de l’extrapolation des discussions à un échantillon de taille millimétrique.
Dans ce cadre, nous avons combiné avec succès des essais mécaniques (nanoindentation et de traction in-situ) d’échantillons massifs avec une technique de caractérisation à l’échelle des dislocations : l’imagerie par contraste de canalisation des électrons (Accurate Electron Channeling Contrast Imaging : A-ECCI) (5). L’A-ECCI est une procédure non destructive offrant la possibilité de fournir, à l’intérieur d’un Microscope Électronique à Balayage (MEB), une imagerie par contraste de diffraction de type MET des défauts de sous-surface (jusqu’à une profondeur d’environ 100 nm) sur un échantillon massif centimétrique avec des résolutions encore inégalées (6).
Tout d’abord, la physique du contraste des défauts et les procédures expérimentales seront présentées (5; 7; 8). Deuxièmement, la pleine potentialité de l’A-ECCI pour suivre l’évolution des microstructures de déformation sera détaillée (9–11). Enfin, des comparaisons statistiques entre les modèles de plasticité cristalline et les expériences seront mises en évidence dans le cadre d’une première étape vers l’ingénierie des fonctionnalités (12–14).
[1] G.P. Bei, A. Guitton, A. Joulain, V. Brunet, S. Dubois, L. Thilly, and C. Tromas. Pressure-enforced plasticity in MAX phases : from single grain to polycrystal investigation. Philosophical Magazine, 93(15) :1784–1801, may 2013, doi : 10.1080/14786435.2012.755272, hal-hal-01501851.
[2] A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, and C. Tromas. Dislocation analysis of Ti2AlN deformed at room temperature under confining pressure. Philosophical Magazine, 92(36) :4536–4546, dec 2012, doi : 10.1080/14786435.2012.715250, hal-03041046.
[3] A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, and C. Tromas. Evidence of dislocation cross-slip in MAX phase deformed at high temperature. Scientific Reports, 4(1) :6358, may 2015, doi : https ://doi.org/10.1038/srep06358, hal-01503720.
[4] K. Gouriet, P. Carrez, P. Cordier, A. Guitton, A. Joulain, L. Thilly, and C. Tromas. Dislocation modelling in Ti2AlN MAX phase based on the Peierls–Nabarro model. Philosophical Magazine, 95(23) :2539–2552, aug 2015, doi : 10.1080/14786435.2015.1066938, hal-01515323.
[5] H. Kriaa, A. Guitton, and N. Maloufi. Fundamental and experimental aspects of diffraction for characterizing dislocations by electron channeling contrast imaging in scanning electron microscope. Scientific Reports, 7(1) :9742, aug 2017, hal-02392256.
[6] J. Guyon, H. Mansour, N. Gey, M.A. Crimp, S. Chalal, and N. Maloufi. Sub-micron resolution selected area electron channeling patterns. Ultramicroscopy, 149 :34–44, feb 2015, doi : 10.1016/j.ultramic.2014.11.004, hal-01514962.
[7] H. Kriaa, A. Guitton, and N. Maloufi. Modeling dislocation contrasts obtained by Accurate-Electron Channeling Contrast Imaging for characterizing deformation mechanisms in bulk materials. Materials, 12(10) :1587, may 2019, doi : 10.3390/ma12101587, hal-02392249.
[8] H. Kriaa, A. Guitton, and N. Maloufi. Modelling Electron Channeling Contrast intensity of stacking fault and twin boundary using crystal thickness effect. Materials, 14(7) :1696, mar 2021, doi : 10.3390/ma14071696, hal-03118996.
[9] A. Guitton, H. Kriaa, E. Bouzy, J. Guyon, and N. Maloufi. A dislocation-scale characterization of the evolution of deformation microstructures around nanoindentation imprints in a TiAl alloy. Materials, 11(2) :305, feb 2018, doi : 10.3390/ma11020305, hal- 02392252.
[10] M. Ben Haj Slama, N. Maloufi, J. Guyon, S. Bahi, L. Weiss, and A. Guitton. In situ macroscopic tensile testing in SEM and Electron Channeling Contrast Imaging : pencil glide evidenced in a bulk β-Ti21S polycrystal. Materials, 12(15) :2479, aug 2019, doi : 10.3390/ma12152479, hal-02392248.
[11] F. Habiyaremye, A. Guitton, F. Schäfer, F. Scholz, M. Schneider, J. Frenzel, G. Laplanche, and N. Maloufi. Plasticity induced by nanoindentation in CrCoNi medium-entropy alloy studied by accurate electron channeling contrast imaging revealing dislocation-low angle grain boundary interactions. Accepted in Materials Science and Engineering : A, 2021, hal-03118990.
[12] M. Ben Haj Slama, V. Taupin, N. Maloufi, K. Venkatraman, A.D. Rollett, R.A. Lebensohn, S. Berbenni, B. Beausir, and A. Guitton. Electron channeling contrast imaging characterization and crystal plasticity modelling of dislocation activity in Ti21S BCC material. Materialia, page 100996, mar, doi : 10.1016/j.mtla.2020.100996, hal-03094460.
[13] K. Venkatraman, M. Ben Haj Slama, V. Taupin, N. Maloufi, and A. Guitton. Tuning critical resolved shear stress ratios for BCC- Titanium Ti21S via an automated data analysis approach. 2021, hal-03119000.
[14] F. Habiyaremye, A. Guitton, X. Lei, T. Richeton, S. Berbenni, G. Laplanche, and N. Maloufi. Influence of the local dislocation density and configuration on the first pop-in load during instrumented nanoindentation. 2021.
