Propriétés thermodynamiques et de transport d’alliages Fe- Ni dans le régime Warm Dense Matter // Thermodynamic and transport properties of Fe-Ni alloys in the Warm Dense Matter regime

La Warm Dense Matter (WDM) se retrouve à la frontière de la physique de la matière condensée et de la
physique des plasmas. En particulier, elle se caractérise par des températures comparables à celles du
niveau de Fermi (1000 à 10 000 K) et pour des masses volumiques relevant de celles du solide. Dans ce
régime de la matière, la bonne connaissance du diagramme de phase et des propriétés de transport, telle
la conductivité électrique, est cruciale afin de pouvoir aussi bien modéliser les magnétosphères de planètes
rocheuses, les instabilités hydrodynamiques rencontrées lors des expériences de fusion par confinement
inertiel ou encore lors des impacts géants, tels que celui qui aurait formé la Lune à partir de la collision entre
la Terre et Théia.
Le Laboratoire Matière en Conditions Extrêmes du CEA DAM Île-de-France dispose depuis plusieurs années
d’une installation expérimentale (Enceinte à Plasma Pulsé - EPP), dédiée à l’étude de la WDM. À partir de
décharges pulsées de très forts courants (20-500 kA), cette installation expérimentale permet de sonder les
changements de propriétés thermodynamiques et de transport de la matière depuis l’état solide jusqu’à
l’état plasma sur des durées de l’ordre de la centaine de nanosecondes. Très récemment, ces expériences
ont pu être réalisées sur une source synchrotron X afin de pouvoir évaluer la densité d’états électroniques
des plasmas rencontrés dans les expériences EPP.
L’objectif de cette thèse consistera à étudier les propriétés thermodynamiques et de transport d’un alliage
binaire fer-nickel dans un domaine pression-température associé aux impacts géants. Pour ce faire, des
expériences seront réalisées à la fois sur le site du CEA DAM Île-de-France et sur synchrotron afin de pouvoir
sonder les propriétés thermodynamiques, optiques et de transport et du Fe-Ni. Les données expérimentales
recueillies seront ensuite comparées à des simulations de dynamique moléculaire quantique qui
renseignent notamment sur l’état électronique des états rencontrés lors des expériences. Enfin, de nouvelles
approches théoriques, basées sur les résultats expérimentaux et numériques, devront être proposées afin
d’améliorer la modélisation de ce type d’alliage dans le régime WDM.

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Warm Dense Matter (WDM) lies at the intersection of condensed matter physics and
plasma physics. In particular, it is characterized by temperatures comparable to those of the
Fermi level (1,000 to 10,000 K) and densities on the order of those of solids. In this
state of matter, a thorough understanding of the phase diagram and transport properties, such as
electrical conductivity, is crucial for modeling the magnetospheres of rocky planets,
hydrodynamic instabilities encountered in inertial confinement fusion experiments,
or during giant impacts, such as the one believed to have formed the Moon from the collision between
Earth and Theia.
For several years now, the Laboratory for Matter under Extreme Conditions at CEA DAM Île-de-France developed
an experimental facility (Pulsed Plasma Chamber—EPP) dedicated to the study of WDM. Using
pulsed-power discharges with very high currents (20–500 kA), this experimental facility enables the investigation of
changes in the thermodynamic and transport properties of matter as it transitions from the solid state to
the plasma state over time scales of the order of hundreds of nanoseconds. Very recently, these experiments
have been carried out using an X-ray synchrotron source to evaluate the electronic state density of the plasmas encountered in the EPP experiments.
This PhD will focus on the study of thermodynamic and transport properties of a
binary iron-nickel alloy within a pressure-temperature range associated with giant impacts. To this end, experiments will be conducted both at the CEA DAM Île-de-France site and at a synchrotron facility in order to investigate the thermodynamic, optical, and transport properties of Fe-Ni. The experimental data collected will then be compared with quantum molecular dynamics simulations that provide information, in particular, on the electronic states observed during the experiments. Finally, new theoretical approaches, based on the experimental and numerical results, will need to be proposed in order to improve the modeling of this type of alloy in the WDM regime.
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Pôle fr : Direction des Applications Militaires
Pôle en : Military Applications
Département : Département physique, expériences et modèles
Service : DPEM
Laboratoire : DPEM
Date de début souhaitée : 01-09-2026
Ecole doctorale : Physique en Île-de-France (EDPIF)
Directeur de thèse : VIDEAU LAURENT
Organisme : CEA
Laboratoire : DAM/DPEM//DPEM
URL : https://www-lmce.cea.fr/team/plasma_physics/jodar.html
URL : https://www-lmce.cea.fr/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction des Applications Militaires
Pôle en : Military Applications
Département : Département physique, expériences et modèles
Service : DPEM

Physique de la matière condensée, Physique des plasmas, Physique microscopique