La cellule à enclumes de diamant repose sur une principe physique simple : pour atteindre des pressions élevées il faut appliquer une force importante sur une surface la plus réduite possible. Le diamant présente des caractéristiques de résistance à la compression exceptionnelle.
C’est à la fin des années 1950 qu’un américain a eu l’idée d’utiliser des diamants comme enclumes dans un montage de type « presse de Bridgman » (Figure 1A). L’échantillon à étudier sous pression est placé dans un trou (de 50 à 300 micromètres de diamètre) percé dans une feuille de d’acier de quelques dixièmes de millimètres d’épaisseur que l’on serre entre deux diamants (Figure 1B).
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Les deux diamants sont taillés et présentent une surface plane (la tablette) d’un diamètre variant de 10 à 700 micromètres (voire plus). Pour être poussés en opposition les deux diamants sont placés respectivement sur un cylindre et un piston coulissant l’un dans l’autre (Figure 2). Le piston est poussé à l’aide d’un système mécanique qui la plupart du temps consiste en un système de levier et de vis manœuvré à la main (Figure 2). Il existe des systèmes pneumatiques plus sophistiqués permettant des mouvements contrôlés et fins de coulissage du piston dans le cylindre.
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La préparation d’une expérience
Les figures ci-dessous décrivent les étapes de préparation d’une expérience en cellule à enclumes de diamant. La première étape est la préparation du joint qui servira à confiner l’échantillon entre les deux diamants (Figure 3). On part d’un disque métallique d’environ 200 micromètres d’épaisseur et de quelques millimètres de diamètre. Ce disque est comprimé entre les deux diamants pour former une empreinte circulaire des tablettes. Un trou est ensuite percé au centre de cette empreinte. Le perçage se fait à l’aide de micro forets ou par électro-érosion. Le diamètre de l’empreinte et donc le diamètre des tablettes, l’épaisseur de l’empreinte et la taille du trou sont choisis en fonction de la pression maximale que l’on veut atteindre pendant l’expérience. Les tailles typiques varient dans les gammes suivantes :
- Epaisseur de l’empreinte : 10 à 30 micromètres
- Diamètres des tablettes des diamants : 10 à 700 micromètres
- Diamètre du trou : 10 à 300 micromètres
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Cette première étape réalisée, on passe à la mise en place de l’échantillon (Figure 4). Le joint troué est positionné sur l’un des diamants et le minéral à étudier placé dans le trou. On ajoute ensuite des éclats de rubis (A), on remplit le reste du trou avec un milieu transmetteur de pression (liquides organiques, gaz rares, solides mous) (B) et on comprime l’ensemble entre les deux diamants (C). L’augmentation de la pression est induite par la réduction du volume du trou (D). Dans certains cas on ne remplit le trou qu’avec l’échantillon sans mettre de milieu transmetteur de pression.
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Mesurer la pression en cellule diamant
Les éclats de rubis servent à mesurer la pression à laquelle est soumise l’échantillon (Figure 5). Les rubis dopés avec des ions Cr3+ émettent une fluorescence quand ils sont éclairés par un faisceau laser. Cette fluorescence est analysée par un spectromètre. Le spectre montre deux raies de fluorescence qui se décalent avec la pression. Le décalage est calibré en fonction de la pression.
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