Abstract :
[fr] Nous présentons les résultats expérimentaux obtenus avec un système modèle expérimental dédié à l’étude des structures et des transitions de phases à 2D. Le système est composé d’une monocouche de billes soft-ferromagnétiques de taille millimétrique confinées dans une cellule 2D horizontale. Les billes sont plongées dans un champ magnétique vertical et homogène qui induit une interaction dipôle-dipôle entre elles. L’effet combiné du confinement et des interactions répulsives ordonne les billes. Celles-ci sont athermales, une agitation mécanique est donc utilisée afin de leur conférer un mouvement Brownien qui crée du désordre dans le système. Ajuster l’importance relative entre les effets de l’interaction et de l’agitation permet de contrôler l’ordre du système.
Grâce à ce dispositif expérimental, nous pouvons donc étudier la transition d’un état figé et très ordonné, dit cristallin, vers un état désordonné et dynamique semblable à un liquide. Nous montrons que cette transition se déroule en deux étapes, avec une phase intermédiaire appelée hexatique, comme cela est prédit par la théorie KTHNY de la fusion 2D. De plus, les structures observées sont identiques à celles obtenues à partir de systèmes colloïdaux et de simulations numériques. Notre expérience semble donc tout à fait adaptée à l’étude des systèmes 2D thermiques. Dans la suite de ce travail, nous avons décidé de nous concentrer sur l’étude des défauts topologiques car ils sont d’une importance cruciale en physique à basse dimensionnalité. Nous avons d’abord forcé les défauts topologiques dans le système en induisant une frustration venant du confinement. Nous montrons que la taille et la géométrie du confinement affectent significativement l’ordre global, ainsi que le type et le nombre de défauts observés dans le système. Ensuite, nous forçons des défauts ponctuels dans la structure en y introduisant des billes de tailles différentes, appelées impuretés. A l’échelle globale, l’augmentation du taux d’impureté permet d’empêcher la cristallisation du système. A l’échelle locale, nous observons que les impuretés induisent des frustrations géométriques très localisées, ce qui mène à l’apparition de défauts topologiques dont la nature est directement liée à la taille de l’impureté.
[en] We present experimental results obtained with a model experimental system dedicated to the study of 2D structures and phase transitions. The system is composed of a monolayer of millimetric soft ferromagnetic beads confined in a 2D horizontal cell. The beads are immersed in a vertical and homogeneous magnetic field inducing magnetic dipole-dipole interactions between beads. Due to the confinement, the repulsive interactions tend to order the system. As the system is athermal, a mechanical agitation is used to produce a Brownian motion of the beads which creates disorder. Adjusting the competition between the effects of the interaction and the agitation allows us to control the order of the system.
Thanks to this experimental setup, we can study the transition from a frozen and very ordered state, called a crystal, to a disordered and dynamic state similar to a liquid. As predicted by the KTHNY theory of 2D melting, a two-step transition is highlighted, including the so-called hexatic phase between crystal and liquid. In addition, the structures observed agree quantitatively with structures obtained in colloidal systems and in numerical simulations. Our experimental system is, therefore, a suitable model to study 2D thermal structures. In this work, we focus on the study of topological defects that are crucial in low-dimensional physics. We first forced topological defects into the syttem by inducing frustration from confinement. We show that the size and the geometry of the confinement strongly affect the global order, as well as the type and the number of topological defects observed in the systems. Finally, we force pointlike defects in the structure by introducing beads of different size, called impurities. At global scale, the increase of the impurity can prevent the crystallization. At local scale, we observe that an impurity induces a very localized geometrical frustration, which creates a topological defect whose nature is directly related to the size of the impurity.
