La diffusion inélastique des neutrons est un moyen unique pour explorer les processus dynamiques qui régissent de nombreuses propriétés de la matière condensée : transport électronique, magnétisme catalyse, et même des fonctions d'objets biologiques. Elle permet par exemple d'étudier, à l'échelle atomique et moléculaire, des phénomènes vibratoires ou diffusifs au sein des cristaux, de la matière molle ou des liquides.
Installé à l'ILL depuis le milieu des années 1980, le spectromètre de diffusion de neutrons à temps de vol IN6 a longtemps offert une grande brillance mais le temps était venu d'optimiser l'utilisation du faisceau. En 2017, le CEA, le CNRS et l'ILL décident ensemble de moderniser cet équipement et confient au LLB l'étude, la réalisation, puis l'exploitation du nouvel instrument qui succèdera à IN6.
Après une première phase de design au LLB, la conception détaillée et la construction de l'enceinte à vide sont confiées à l'entreprise de chaudronnerie SDMS en Isère. Fin octobre 2020, IN6 est démonté et fin novembre, une grue dépose, par le toit, la nouvelle enceinte d'une vingtaine de tonnes dans le hall des guides à neutrons de l'ILL. Suivent rapidement la mise en place de tous les équipements mécaniques et électroniques, en particulier les détecteurs de neutrons de dernière génération, et enfin l'« emballage » de l'expérience par des protections en polyéthylène boré de haute densité permettant de réduire le bruit de fond, pour aboutir à la première exposition de l'instrument aux neutrons en mars.
SHARP se distingue par les caractéristiques suivantes.
- À l'entrée du spectromètre, un monochromateur permet de sélectionner des neutrons de même énergie par réflexion de Bragg sur un cristal de graphite.
- Un chopper de Fermi transforme le faisceau de neutrons continu en « paquets » de neutrons prêts à interagir avec l'échantillon.
- Pas moins de 240 détecteurs sont disposés à 2,50 m de l'échantillon, couvrant un grand angle solide (146°x46°), et chacun d'eux enregistre le temps de vol des neutrons, qui permet de remonter à leur énergie. L'écart entre l'énergie mesurée et celle des neutrons du faisceau incident fournit l'énergie d'un mode dynamique excité de l'échantillon.
Des physiciens ont inauguré SHARP en étudiant un aimant moléculaire : l'acétate de manganèse. En remplaçant les atomes d'hydrogène par du deutérium, ils ont pu observer les modes magnétiques du manganèse dans son environnement moléculaire et identifier les excitations magnétiques associées.
Autre illustration des performances de SHARP : l'étude de la diffusion de l'eau en volume à l'échelle moléculaire a permis de mettre en évidence le processus de « diffusion de Fick » et d'en déterminer précisément les caractéristiques.