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Les muons, des sondes microscopiques explorant la matière condensée


Qu’est-ce qu’un muon ?
Un muon positif µ+ est une particule élémentaire de charge positive qui est environ 200 fois plus lourde qu’un électron. Il possède un moment magnétique, et peut par conséquent être considéré comme un petit gyroscope magnétique qui subit une précession dans les champs magnétiques. Le muon a une durée de vie limitée de 2,2 µs et se décompose en un positron e+ et deux neutrinos. à cause de la violation de la parité, l’émission du positron se fait de préférence dans la direction du moment magnétique du muon. Le champ magnétique local auquel est soumis le muon peut être déterminé en calculant le nombre de positrons formés par décomposition en fonction du temps, une fois que la durée de vie du muon s’est écoulée. Cette technique est connue sous le nom de « spectroscopie de relaxation de spin du muon » (μSR).

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Pourquoi utiliser des muons ?

Injectés dans un matériau, les muons sont capables de sonder le champ magnétique local interne. Les muons de faible énergie permettent même d’atteindre l’échelle nanométrique. Par conséquent, cette technique est très utile pour étudier les composés magnétiques et les supraconducteurs, comme le montre l’article scientifique de cette lettre d’informations.

Dans d’autres expériences, les muons peuvent être utilisés pour fournir des informations sur les propriétés de l’hydrogène contenu dans les matériaux ou pour examiner les défauts de la structure des cristaux.

Comment produire des muons ?

Un faisceau de muons peut être généré en bombardant une cible de graphite avec un faisceau de protons dont la vitesse atteint 80 % de celle de la lumière. Les muons sont les produits de la décomposition des pions formés lors de telles collisions.

Ces faisceaux sont disponibles en Suisse, à l’Institut Paul Scherrer (PSI) à Villigen.

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Des équipements uniques consacrés à l’étude des muons à l’Institut Paul Scherrer ?


Les équipements consacrés à l’étude des muons au PSI permettent de mener un large éventail d’expériences qui attirent des physiciens de l’état solide, des chimistes, ainsi que des experts en science des matériaux du monde entier.

Les muons sont des sondes magnétiques microscopiques universellement applicables qui peuvent être injectées dans un grand nombre de matériaux et soumises à des conditions extérieures très variées. Les champs magnétiques que l’on peut mesurer à l’aide de muons correspondent aussi bien à seulement un dixième du champ magnétique terrestre qu’à cent mille fois ce dernier. Leurs temps caractéristiques peuvent aller de quelques nanosecondes à quelques millisecondes. Ces caractéristiques font des muons un instrument puissant capable d’étudier les aspects fondamentaux et pertinents sur le plan technologique des phénomènes structurels, magnétiques et électroniques survenant dans les composés magnétiques, tels que les supraconducteurs, les semiconducteurs et les isolants. Par ailleurs, ces matériaux sont aussi bien des éléments purs que des alliages complexes, tels que des composés organiques ou des systèmes moléculaires se présentant sous de nombreuses formes (cristalline, amorphe, liquide, etc.). Il est possible de mener des expériences supplémentaires étudiant le comportement des muons à des températures et des pressions variables, ou dans plusieurs champs électromagnétiques.


musrSix instruments différents sont disponibles au PSI pour effectuer des recherches utilisant des faisceaux de muons. Deux d’entre eux sont exceptionnels et uniques au monde :

  • Un faisceau de muons de faible énergie capable d’injecter des muons à des profondeurs très basses et contrôlables (jusqu’à quelques nanomètres) en dessous de la surface d’un échantillon. Il rend ainsi possible un très grand nombre d’applications nouvelles, puisqu’il permet désormais d’étudier des échantillons très minces, des structures à plusieurs couches, ainsi que des zones de surface, et de mesurer leurs propriétés matérielles en fonction de la profondeur d’implantation à l’échelle nanométrique (lire l’article scientifique publié dans la lettre d’informations MaNEP n° 2).

  • L’extraction des muons présents dans un faisceau continu un à un – Muons On REquest (MORE) – permet de détecter de manière inégalée de légères différences de champ magnétique, et fait passer les temps caractéristiques mesurables à quelques millisecondes lors de l’intervalle de temps considéré.


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