Claquage microonde par retournement temporel

Une brève histoire du plasma

Avant de discuter plus en détails des applications potentielles de cette source, il nous faut introduire le concept de plasma. Ce dernier est communément appelé le quatrième état de la matière. Il peut être grossièrement défini comme un gaz partiellement ionisé, i.e. un gaz auquel une énergie (électrique ou thermique) appliquée arrache les électrons des atomes ou des molécules. Ainsi, on retrouve dans un plasma des particules neutres (les atomes et molécules du gaz) et des particules chargées (des électrons et des ions). En fait, nous voyons tous du plasma tous les jours, puisque le soleil est un plasma. Et même par temps orageux, il nous est possible de voir et même d’entendre des plasmas avec la foudre. Et de tout temps, le plasma a fasciné l’espèce humaine. On le retrouve dans de nombreux contes et mythologies. Par exemple dans la mythologie Grecque le roi de l’Olympe Zeus est le dieu de la foudre, tout comme le dieu Thor dans la mythologie nordique. Dans des mythes plus contemporains, on retrouve dans l’univers Marvel la super-héroïne Storm capable aussi de contrôler la foudre, et on retrouve le plasma dans le Kamehameha de Dragon Ball ou dans le Rasengan de Naruto. Dans toutes ces représentations, le plasma est vu comme quelque chose de mystique et la personne qui arrive à le maîtriser possède alors des pouvoirs surnaturels. Cependant, le plasma n’est pas seulement associé à des pouvoirs surnaturels, il peut aussi être le fruit de technologies avancées. Par exemple, chez Marvel c’est Iron Man qui, grâce à ses connaissances scientifiques, construit une armure capable d’émettre des “rayons répulseurs”. Et ce mythe n’est pas très éloigné de la réalité. En effet, comme nous allons le voir le plasma n’est pas seulement un sujet de fascination pour les conteurs, il est aussi au cœur de nombreux dispositifs scientifiques. Les plasmas occupent une place importante dans la science en général et notamment en cosmologie. Les modèles cosmologiques standards actuels nous disent que l’univers est en expansion [Lid03]. De ce fait, en “remontant le temps”, on voit l’univers se contracter de plus en plus, jusqu’à devenir énormément dense et localisé. L’histoire de l’univers selon ces modèles est schématisée sur la Figure I.1. Ils sont capables de décrire ce qu’il s’est passé jusqu’à un instant nommé le “mur de Planck”. Pour des temps inférieurs, les théories de la relativité générale et de la mécanique quantique donnent des résultats contradictoires. Au moment du mur de Planck, l’univers est contracté dans un état très dense et très chaud : il est en fait un plasma. De ce plasma primordial, du fait de l’expansion de l’univers, sont ensuite nés les atomes et les molécules, puis les étoiles (qui sont des plasmas) et enfin les galaxies. Et c’est ainsi que 13.8 milliards d’années après le Big Bang 1 , les conditions sur une certaine planète (nommée Terre) tournant autour d’une certaine étoile (nommée Soleil) dans un certain système planétaire (nommé système solaire) dans une certaine galaxie (nommée Voie lactée) sont réunies pour que la vie telle que nous la connaissons puisse apparaître. Et il est intéressant de noter que dans la matière de l’univers observable, jusqu’à 99 %, selon certaines estimations, se trouve être dans l’état plasma [GB05]. Sur Terre, à cause des conditions de température et de pression, ils sont moins présents naturellement mais on peut en apercevoir parfois lors d’orages comme nous l’avons déjà mentionné ou lors de phénomènes d’aurore polaire. On les retrouve cependant abondamment dans l’industrie et dans le domaine de la recherche scientifique. En effet, depuis les premières études en laboratoire sur les plasmas, de nombreuses applications ont émergé pour ces milieux aux propriétés physiques exotiques. Quelques illustrations d’applications sont proposées sur la Figure I.1. Les plasmas peuvent par exemple être utilisés dans l’espace pour propulser les satellites en accélérant les particules chargées du plasma sous l’effet d’un champ électrique [GK08]. Leurs propriétés lumineuses sont aussi exploitées dans certaines applications, telles que les éclairages néon ou les écrans plasmas. Enfin, de nombreuses applications exploitent les propriétés intéressantes de leur interaction avec des matériaux. Ils sont ainsi largement utilisés en traitement de surface [FM93] ; [Gri94] ; [LL05] pour changer les propriétés de la surface avec laquelle ils sont en contact. Ils sont aussi utilisés pour déposer des couches minces sur un matériau ou pour de la croissance de diamant [DW98] ; [Su+14].

La source plasma à retournement temporel

Pour les applications où il est question d’interaction avec un matériau, il existe plusieurs technologies basées sur différents types de plasma. Les plus couramment utilisées sont celles basées sur des plasmas à couplage capacitif (CCP) ou inductif (ICP), les plasmas à résonance cyclotron électronique (ECR), ou les plasmas microondes [Sam+12]. Les décharges microondes sont étudiées de façon intensive car elles produisent des densités de plasma élevées à la fois dans des conditions de haute et de basse pression. Nous nous concentrerons dans cette thèse sur ces décharges. Elles sont généralement générées par des techniques dites modales. C’est à dire qu’elles exploitent le phénomène de résonance d’une cavité métallique soumise à un champ électromagnétique oscillant à une fréquence microonde. Nous verrons dans le chapitre 1 les limitations de ces techniques standards. La plus restrictive est la limite sur les dimensions des objets qu’il est possible de traiter. La source plasma proposée dans cette thèse a pour objectif de surpasser ces techniques habituelles, en rendant possible le contrôle dynamique de la position des plasmas dans des cavités de grandes dimensions. Ainsi, les dimensions des objets à traiter ne sont plus limitées. Essayons à présent d’introduire rapidement le principe de la source plasma à retournement temporel (RT) développée dans cette thèse. Pour cela, commençons par le commencement. Pas celui de la thèse, celui de l’univers dont nous avons discuté précédemment, au sens du mur de Planck. Si on résume ce que nous disent les modèles cosmologiques actuels, en remontant le temps l’univers se contracte et devient localisé autour d’un point pour former un plasma. Ce que nous proposons dans cette thèse a de plus modestes ambitions : faire 4 Introduction “remonter le temps” aux ondes de façon à focaliser l’énergie électromagnétique dans le but d’amorcer un plasma local. Ici l’expression “remonter le temps” est entre guillemets parce qu’en pratique on ne remonte évidemment pas le temps, mais l’objectif est de faire revivre aux ondes leur vie passée de sorte à les focaliser à l’endroit initial de leur émission. Cette technique permettant de focaliser les ondes est appelée retournement temporel (RT). Elle a été conceptualisée dans les années 1990 par Mathias Fink et ses collègues. Une description des travaux fondateurs est proposée dans le chapitre 1 et le second chapitre se concentre sur la théorie autour du RT dans le domaine de l’électromagnétisme. Depuis sa découverte, le RT a trouvé de nombreuses applications dans divers domaines de la physique et notamment dans le domaine des microondes. Dans cette thèse, nous en proposons une nouvelle : le contrôle dynamique de la position de plasmas en cavité. Tout au long de ce manuscrit, nous verrons en quoi cette source plasma à RT est en rupture avec les dispositifs actuels et pourquoi elle nous semble prometteuse pour les applications de traitement de surface notamment. L’objectif de cette thèse est de contribuer au développement de cette source plasma innovante. Nous reportons dans cette thèse la première étude sur ce genre de source. La compréhension des enjeux autour des sources plasmas microondes nécessite des développements relativement conséquents. Ces discussions font l’objet du chapitre 1. Les défis à relever que nous avons identifiés pour le développement de cette nouvelle source plasma sont listés à la fin de ce chapitre 1.