Les cellules à enclumes diamant permettent de comprimer des matériaux à des pressions jusqu’à plusieurs centaines de GPa. Dans ces cellules la pression est générée par deux diamants présentant une surface plane d’un diamètre variant de environ 50 à 1 mm, positionnés l’un en face de l’autre.
La chambre à échantillon, d’un diamètre de quelques dizaines de μm à environ 500 μm, est percée dans un joint métallique (acier par exemple) placé entre les deux diamants (Fig. 1). Cette chambre peut être remplie d’un milieu transmetteur de pression pour un obtenir une pression hydrostatique (gaz noble : Ar, He, …., liquide devenant solide sous pression : éthanol + méthanol, eau, ou solide : MgO, NaCl, KCl), ou ne pas contenir de milieu transmetteur de pression pour générer des contraintes non hydrostatiques.
La mesure de la pression dans la chambre est réalisée grâce à un calibrant contenu dans la chambre à échantillon (Fig. 2). Il peut s’agir du rubis, dont le décalage des raies de fluorescence en fonction de la pression est connu, ou de matériaux dont l’équation d’état est bien déterminée (Pt, Au, …).
La cellule à enclume diamant peut être doublée d’un dispositif de chauffe pour les études à haute température et haute pression simultanément, ou d’un dispositif de refroidissement (cryostat) pour les études à températures inférieures à l’ambiante.
Pour les températures entre 300 et 1500 K, l’échantillon est chauffé à l’aide d’un four en graphite adapté à l’intérieur de la cellule diamant. Pour les températures supérieures, les échantillons peuvent être chauffés jusqu’à des températures de plusieurs milliers de degrés en focalisant sur l’échantillon des lasers de puissance (10 à 100W, infra-rouge). Cette opération permet l’activation de transitions de phase à cinétique lente, de relaxer les contraintes au sein des échantillons, et de reproduire les conditions de l’intérieur des planètes.
L’avantage des cellules à enclumes diamant, outre leur portabilité, est l’accès optique à l’échantillon au travers des diamants. Ainsi les propriétés des matériaux peuvent être facilement étudiées in situ, c’est à dire sous pression, par spectroscopie (Raman, Infrarouge) ou par diffraction ou absorption de rayons X (Fig. 3).
Fig. 1. Montage de cellule diamant. L’échantillon est placé dans un joint, lui-même placé entre les pointes de deux diamants. ©S. Merkel, Université de Lille.
Fig. 2. Chambre à échantillon en cellule diamant. On aperçoit un échantillon de titane, un calibrant (or), et une bille de rubis servant à mesurer la pression. ©S. Merkel, Université de Lille.
Fig. 3 : Une cellule à enclume diamants mise en place pour une expérience sur synchrotron. ©S. Merkel, Université de Lille.