L’axe « Plasmas » implique toutes les équipes ainsi que l’opération XPM. Les diverses thématiques développées suivent des approches expérimentales, théoriques et numériques, et sont reliées à la physique complexe associée aux phénomènes non linéaires et à la turbulence dans les plasmas ainsi qu’aux phénomènes fondamentaux de l’interaction plasma-surface (physique de la gaine, échanges de charges en surface, …). Cet axe se recoupe pour partie avec l’axe « Sciences de la fusion et du tokamak ».
Parmi les approches expérimentales, une étude des instabilités d’une colonne de plasma en champ croisé est réalisée dans la machine Mistral. Cela concerne par exemple, l’étude par fluorescence induite par laser, des structures cohérentes dans la colonne de plasma ou l’observation de fortes anomalies de spectres d’hélium du plasma d’hélium. Ces dernières sont expliquées avec un modèle collisionnel-radiatif prenant en compte des fonctions de distribution électroniques non-maxwelliennes ainsi que la diffusion des particules chargées (ce travail qui s’inscrit dans le projet ANR blanc SEDIBA). Cette activité est accompagnée de développement de diagnostics non intrusifs comme le diagnostic de tomographie pour étudier les instabilités dans une tranche de plasma dans Mistral ou la technique appelée EFILE (Electric Field Induced Lyman-alpha Emission) pour mesurer de façon directe et non intrusive un champ électrique statique ou sinusoïdal dans un plasma de laboratoire. Nous nous intéressons également à l’étude de la croissance de nanoparticules au cours de leur transport dans le plasma telle qu’elle est observée dans les machines à pulvérisation cathodique ainsi qu’à l’étude de la propagation d’ondes et de la transition vers des structures cristallines dans le cadre d’expériences de poussières calibrées injectées dans un plasma. Les études expérimentales et théoriques menées sur ce thème des plasmas complexes (plasmas poussiéreux ou « dusty plasmas ») ont été renforcées avec le recrutement, en 2015, d’une chaire d’excellence A*MIDEX (Sergey Khrapak). La connaissance de ces plasmas, en y incluant les phénomènes de transports, ouvre sur de nombreuses applications comme la sécurité dans les tokamaks par exemple. De nombreux dispositifs expérimentaux ont été développés pour l’étude de l’interaction des plasmas avec des surfaces ou des parois. Cela concerne l’étude de la formation de nanoparticules par pulvérisation cathodique, l’étude des gaines dans un plasma multipolaire à l’aide d’un diagnostic de fluorescence induite par laser (FIL), ou encore les études de surfaces exposées à des plasmas en laboratoire avec des paramètres contrôlés (flux, énergie, température de surface) pour une meilleure compréhension des mécanismes d’interaction, Parmi ces dernières travaux citons les études des échanges de charge en milieu plasma (hydrogène) pour le développement de nouvelles sources d’ions négatifs pour le chauffage du plasma. Une description plus détaillée de ces activités qui donnent lieu à des développements d’instruments ou de diagnostics sera présentée dans l’axe «Sciences de la Fusion et Physique du Tokamak ».
Enfin, nous réalisons une étude expérimentale des interactions fondamentales ondes-particules observées dans un tube à onde progressive conçu pour reproduire le système faisceau-plasma, système paradigme de la turbulence plasma, et pour modéliser et optimiser les tubes pour des applications industrielles.
En parallèle de ces développements expérimentaux, des études théoriques et numériques sont réalisées pour une meilleure compréhension des plasmas qui sont dans nos cadres d’étude. Ces systèmes complexes et non linéaires, sont le siège d’une multitude de phénomènes d’instabilités et d’auto-organisation et nous étudions, au moyen d’approches fluide et gyro-cinétique, l’impact de l’auto-organisation électromagnétique sur le transport turbulent de la chaleur et de la matière dans les plasmas chauds magnétisés ainsi que le contrôle de la turbulence. Nous étudions la reconnexion magnétique et les interactions multi-échelles entre structures électromagnétiques et micro-turbulence dans les plasmas de fusion magnétique (une chaire « étoile montante » A*MIDEX, David Zarzoso, a été recrutée sur ce thème en 2015) mais aussi dans les plasmas spatiaux car des phénomènes de turbulence et de structurations cohérentes existent également dans les plasmas magnétisés naturels, comme celui de la magnétosphère. Nous étudions par ailleurs, les plasmas radiatifs turbulents avec pour objectif une meilleure compréhension de l’influence de la turbulence sur le transport des atomes et molécules et sur les propriétés radiatives du plasma comme par exemple les effets des fluctuations de température sur les populations des niveaux atomiques et l’équilibre d’ionisation. L’étude des propriétés radiatives dans les plasmas en particulier pour leur caractérisation par la spectroscopie est une activité importante du laboratoire. Elle recouvre le calcul des populations des espèces ioniques (fondamentales et excitées) présentes dans un plasma, possiblement turbulent, la modélisation fine du transport de rayonnement ainsi que l’étude des effets de corrélation entre particules dans les plasmas fortement couplés. Les enjeux, ici, sont la compréhension et la modélisation des propriétés structurales, de la réponse dynamique de ces plasmas, et des spécificités du rayonnement qu’ils émettent. Ce thème est d’intérêt pour l’étude des plasmas créés par laser, et particulièrement pour l’étude de la matière tiède et dense (Warm Dense Matter, WDM).