Thèse Phases Superioniques et Transport Ionique dans les Matériaux Planétaires à Conditions Extrêmes H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Les intérieurs des géantes glacées et de nombreuses exoplanètes contiennent des matériaux tels que l'eau, l'ammoniac, le méthane, et d'autres éléments légers comprimés à des pressions de plusieurs centaines de gigapascals et à des températures de plusieurs milliers de kelvins. Dans ces conditions extrêmes, la matière entre dans le régime de la matière dense et chaude appelé warm dense matter, où l'interaction entre la structure atomique, la diffusion ionique, et le transport électronique influence fortement la structure interne des planètes, leur évolution, et la génération de leurs champs magnétiques.

Plusieurs matériaux planétaires devraient présenter des phases superioniques dans lesquelles une espèce ionique devient mobile au sein d'un réseau partiellement ordonné formé par des atomes plus lourds. Ces phases présentent des propriétés de transport remarquables et pourraient jouer un rôle important dans la dynamique interne et les champs magnétiques de planètes telles qu'Uranus et Neptune.

Ce projet de thèse vise à étudier les phases superioniques et le transport ionique dans les matériaux planétaires dans des conditions extrêmes de pression et de température à l'aide de simulations de dynamique moléculaire de premier principe fondées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité. Les travaux porteront sur différents composés et mélanges pertinents pour les intérieurs planétaires, notamment l'eau, l'ammoniac, et des systèmes plus complexes contenant des éléments HCNO. Le projet cherchera à identifier les conditions d'apparition du comportement superionique, à caractériser les mécanismes de diffusion ionique, et à déterminer comment la composition, la pression, et la température influencent les propriétés de transport.

En reliant la dynamique atomique microscopique aux propriétés macroscopiques de transport, ce projet contribuera à améliorer les modèles des intérieurs planétaires et de la génération des champs magnétiques dans les géantes glacées et dans les exoplanètes de type Neptune.

La compréhension des propriétés des matériaux planétaires à haute pression et haute température est essentielle pour interpréter les observations des planètes du système solaire et des exoplanètes. Les géantes glacées comme Uranus et Neptune devraient contenir des couches profondes composées de mélanges d'eau, d'ammoniac, et de méthane soumis à des conditions extrêmes.

Des travaux théoriques et expérimentaux récents suggèrent que plusieurs de ces matériaux pourraient présenter des états superioniques dans les conditions des intérieurs planétaires. Dans ces phases les ions légers, souvent l'hydrogène, diffusent dans un réseau formé par des atomes plus lourds, ce qui conduit à des propriétés de transport inhabituelles telles qu'une forte conductivité ionique et une diffusion accrue.
Understanding the properties of planetary materials at extreme pressure and temperature conditions is essential for interpreting observations of planets in our solar system and among the rapidly growing population of exoplanets. Ice giants such as Uranus and Neptune are believed to contain deep layers composed of mixtures of water, ammonia, methane, and other light elements.

Recent theoretical and experimental work suggests that several of these materials may enter superionic states under planetary interior conditions. In these phases light ions, often hydrogen, diffuse through a lattice formed by heavier atoms leading to unusual transport properties such as high ionic conductivity and enhanced diffusion.