Faits marquants 2006

Vannes très hautes pressions et dispositif de régulation de gaz

Une nouvelle famille de vannes très haute pression, fonctionnant jusqu’à 1.5 GPa (15000 bars) a récemment été développée dans le cadre du Réseau des Hautes Pressions du CNRS (http://www.reseauhp.org). Ce travail a été valorisé sous la forme d’un dépôt de brevet [1].

Des polarons dans les transistors organiques

Les transistors organiques à effet de champ (OFETs) connaissent un essor considérable pour leurs applications potentielles dans l’électronique de demain. Ces dispositifs utilisent comme éléments actifs des semiconducteurs « plastiques », c’est-à-dire à base de carbone et d’hydrogène. Parmi les avantages par rapport aux transistors classiques à base de silicium, cette nouvelle génération de composants allierait la flexibilité, la légèreté, la transparence et (un jour peut-être ?) le prix de revient.

Contrôle de la localisation de forts champs électromagnétiques à l’échelle sub-longueur d’onde

Un enjeu important des développements actuels en optique est celui du contrôle de la lumière (guidage, localisation, focalisation etc…) à l’échelle sub-longueur d’onde. Une des raisons est que l’électronique connaît aujourd’hui une limitation intrinsèque liée au temps de transport de l’information numérique d’un point à l’autre du processeur. La lumière, beaucoup plus rapide que les électrons, pourrait offrir une solution à ce problème s’il était possible de réaliser des composants optiques à l’échelle de quelques dizaines de nanomètres, c’est-à-dire à une échelle sub-longueur d’onde.

Nanocristaux organiques luminescents pour la détection de molécules biologiques

Les « biopuces » protéines et ADN sont devenues des outils clefs dans la recherche clinique : tests de diagnostics, nouvelles thérapies. Leur énorme potentiel est malheureusement sous exploité du fait d’un manque en sensibilité important. En effet, si les biopuces à fluorescence sont les plus utilisées aujourd’hui, elles sont cependant moins sensibles que les puces radioactives et ne permettent pas l’analyse d’échantillons cliniques précieux et rares, ni la détection des gènes ou protéines faiblement représentés. La détection dans ce type de capteurs est réalisée généralement par un retour à un état luminescent de la fonction de signalisation. Dans notre cas, il s’agit de nanocristaux organiques présentant de fortes intensités de photoluminescence dans l’état cristallin. Pour développer une biopuce, ces nano-cristaux doivent être fonctionnalisés par greffage à leur surface de demi-brins d’ADN portant une molécule sonde. Cette molécule sonde inhibe totalement la fluorescence des nano-cristaux. Lorsque des demi-brins d’ADN identiques à ceux portés par les fonctions de signalisation seront présent dans la solution aqueuse analysée, ils pourront s’hybrider avec eux et modifier ainsi l’état de la sonde (position, changement de conformation et de spectre d’absorption…) qui n’inhibera plus la fluorescence des nano-cristaux. On obtiendra donc la détection de ce type de brin d’ADN par retour de la fluorescence de quelques nano-cristaux.

Conduction quantique de la chaleur

Dans une expérience récente, Dr. Matthias Meschke, Dr. Wiebke Guichard et Pr. Jukka Pekola ont analysé l’échange de chaleur entre deux très petits îlots métalliques connectés seulement à l’aide de fils supraconducteurs. Ces résultats montrent qu’à très basse température, la chaleur est transférée par radiation électro-magnétique. Au cours de cette expérience, les chercheurs ont étudié le processus de transport de la chaleur dans des circuits de la taille du nanomètre ou du micromètre, posés sur une simple puce de silicium, à une température de seulement 0.1 degrés au-dessus du zéro absolu.

Graphène : un nouveau matériau pour la nano-électronique

Dans quelques matériaux, les électrons se déplacent dans un plan : on dit qu’ils sont « bi-dimensionnels ». Les plus connus sont les hétérojonctions d’Arséniure de Gallium, utilisés dans les téléphones portables et pour les télécommunications optiques. Dans ce matériau, les électrons sont confinés à l’interface entre deux matériaux l’AlGaAs et le GaAs. Le graphène est un nouveau matériau bi-dimensionnel : il est composé d’un feuillet unique de graphite, la forme la plus commune du carbone. Dans ce matériau, les atomes de carbone forment un réseau hexagonal (figure 1), et les électrons de conduction occupent les orbitales p et se déplacent librement sur tout le feuillet de graphène.

A la recherche de la matère noire : l’expérience EDELWEISS

Les mesures les plus récentes du fond diffus cosmologique et de la vitesse d’éloignement des supernovae à grande distance, interprétées dans le cadre du modèle cosmologique standard, nous mettent en présence d’un univers dominé par la matière noire (23%) et l’énergie noire (70%). Mise en évidence en 1930, la nécessité de l’existence d’une matière noire dans l’Univers n’a pas faibli, et l’hypothèse qu’elle soit constituée en grande partie de particules massives interagissant faiblement (WIMPS, weakly interactive massive particles) n’a fait que se renforcer depuis.

Interféromètre supraconducteur à nanotubes de carbone : vers la détection d’un spin unique

Un interféromètre supraconducteur est constitué par une boucle supraconductrice interrompue en deux points par deux « jonctions ». Ces interféromètres permettent de mesurer des champs magnétiques ou des courants très faibles. Dans le présent dispositif, les jonctions sont constituées par des nanotubes de carbone. Elles sont si petites que la charge induite par une grille voisine en modifie l’énergie de façon appréciable. L’interféromètre peut ainsi être ajusté par deux grilles qui modifient l’énergie des deux jonctions au même titre que l’induction magnétique qui traverse la boucle supraconductrice : cela lui confère des propriétés exceptionnelles qui ont été mises à jour dans ce travail. La sensibilité de ce dispositif permet d’envisager la détection du spin d’une molécule unique.

Compétition magnétique dans un réseau d’hélices moléculaires

Ces dernières années, les études en magnétisme moléculaire se sont essentiellement intéressées aux propriétés quantiques des « molécules aimants », typiquement constituées d’une dizaine d’atomes. Aujourd’hui, l’attention se porte sur une plus grande diversité de systèmes. En particulier, des composés présentant les propriétés remarquables du magnétisme quasi-unidimensionnel peuvent être obtenus en utilisant les techniques de la chimie organique. Parmi les systèmes les plus étudiés, se trouvent des composés à chaînes chirales (le caractère chiral exprime le fait qu’il existe deux types de chaînes qui se correspondent comme le font la main droite et la main gauche) le long desquelles alternent deux entités différentes porteuses du magnétisme : métaux de transition et radicaux libres organiques.

Les rayons X pour suivre la catalyse sur des nano-particules d’or

En catalyse hétérogène de nombreux processus mettent en jeu depuis longtemps des particules de taille nanométrique. Mais les études à cette échelle ont connu une nouvelle impulsion avec la découverte que l’Or pouvait, sous forme de nanoparticules supportées sur oxyde, devenir un catalyseur très actif alors qu’il est habituellement inerte[1] Il peut ainsi catalyser l’oxydation du monoxyde de carbone et ce dès la température ambiante. L’origine de ce comportement reste controversée, mais il est clair que la taille et la morphologie des nanoparticules jouent un rôle crucial : atomes actifs sur les arêtes, sur le périmètre…, effet quantique dû à leur petite taille…, etc.

Influence de la composition et de l’ordre atomique sur le magnétisme d’aimants Fe-Pt

La recherche fondamentale sur les matériaux magnétiques permet d’obtenir des aimants aux propriétés exceptionnelles et d’envisager de nouvelles applications : moteur ou capteur miniatures, stockage dans les disques durs d’ordinateurs… Pour maîtriser ces matériaux, il est nécessaire de dominer leur élaboration et de comprendre leurs propriétés physiques.

Frustration dans les langasites magnétiques

Les langasites forment une très large série de composés (plus de 100 ont été identifiés) découvertent dans les années 80 en ex-URSS, dont l’archétype est La3Ga5SiO14 (d’où leur nom). Ces matériaux sont surtout connus pour leurs propriétés piézoélectriques qui en font des concurrents sérieux du quartz notamment pour les applications de filtrage par ondes acoustiques de surface en téléphonie mobile. Nous nous intéressons au magnétisme de certains de ces composés, pour lesquels l’ion de terre rare porte un moment magnétique.

Cohérence quantique et effet Kondo

Comment se fait le transport du courant électrique dans un métal ? Nous avons montré qu’une description complète du phénomène ne peut se faire sans les outils les plus modernes de la mécanique quantique ni la puissance de calcul des ordinateurs actuels. Un métal peut être vu comme un réseau d’atomes chargés électriquement, les « ions », dans lequel se déplacent librement des électrons. Sous l’action d’un champs électrique induit, par exemple, par une différence de tension entre les deux extrémités d’un conducteur, les électrons sont accélérés : c’est le courant électrique. Mais nous avons omis une question clé : qu’est-ce qui limite ce courant d’électrons ? Pourquoi un électron, entraîné par le champ électrique, ne va-t-il pas de plus en plus vite et le courant n’augmente-t-il pas indéfiniment ? L’idée de base est que les électrons dans un métal subissent des chocs ou collisions ; en premier lieu, des collisions sur des atomes qui ne sont pas à leur place dans le réseau : c’est ce que l’on appelle le désordre cristallographique. Mais les électrons subissent aussi des chocs entre eux, qui les ralentissent également. À température ambiante, ce sont ces chocs entre électrons qui affectent le plus leur déplacement, tandis que les chocs sur les défauts cristallins deviennent prédominants à basse température. En écrivant correctement les équations gouvernant ces différents phénomènes, on décrit précisément la résistance électrique des métaux.

Imagerie magnétique de supraconducteurs non conventionnels

L’imagerie locale de l’aimantation est un outil pour comprendre la physique des supraconducteurs à l’échelle micronique. Un champ magnétique peut pénétrer dans un supraconducteur sous forme de vortex, qui sont de petits tubes de flux magnétique insérant chacun un quantum de flux Φ0 = h/2e. Leur coeur n’est pas supraconducteur, ils représentent donc des défauts dans le matériau dont le comportement peut donner accès aux mécanismes de la supraconductivité du composé étudié.

Oxydes ferromagnétiques à haute température critique en l’absence d’impuretés magnétiques

Depuis peu, on parle de ferromagnétisme dans des matériaux qui ne contiennent pas d’ions magnétiques comme dans le graphite (Esquinazi, PRL 2003), ou des oxydes de terres rares (HfO2, Venkatessan, Nature 2004). Ce ferromagnétisme appelé d0 est en effet surprenant car les orbitales d et f des cations ou anions sont soit vides soit complètement remplies. Il pourrait être du à des défauts dit « intrinsèques » mais il reste très controversé. En effet, (i) il est souvent difficile de reproduire les résultats et (ii) des échantillons élaborés dans des conditions à priori similaires sont parfois non magnétiques

Filtrage du spin des électrons à l’aide de nanostructures

Les nanostructures permettent de réaliser au laboratoire des situations physiques modèles. Elles révèlent grand nombre de phénomènes nouveaux grâce à un contrôle très fin des paramètres physiques. Un exemple en est donné par l’effet Kondo : dans une très petite région métallique (« point quantique ») délimitée par des grilles électrostatiques dans un métal bidimensionnel, on fabrique un « atome artificiel » dont on remplit progressivement les niveaux électroniques. Lorsque le dernier niveau occupé porte un seul électron de spin 1/2, l’ajout d’un deuxième électron sur ce niveau est interdit par une barrière d’énergie coulombienne. On a alors réalisé un moment magnétique artificiel.

Thermique et nanomonde

La réponse thermique d’un nanosystème à une variation de chaleur peut-être étonnement irrégulière. Notre équipe, « thermodynamique des petits systèmes », étudie les comportements thermiques et thermodynamiques de la matière aux très petites échelles de longueur. Un comportement anormal par rapport au matériau massif peut s’observer aussi bien en transport thermique (phonons 1D) dans des objets unidimensionnels, qu’en chaleur spécifique sur des systèmes nanostructurés.

Visualisation par microscopie à sonde locale d’interférences électroniques dans des anneaux quantiques

L’étude de nanostructures cohérentes représente un secteur avancé de la recherche sur les semi-conducteurs, avec des implications allant d’aspects fondamentaux de la physique du solide aux futures applications dans le domaine de la nanoélectronique. Traditionnellement, les phénomènes de transport électronique sont analysés en termes de grandeurs macroscopiques (typiquement, la conductance totale). En collaboration avec l’Université Catholique de Louvain-la-Neuve (Belgique) et l’IEMN à Lille, l’équipe « Champ Proche » a développé une microscopie à sonde locale permettant d’imager dans l’espace réel les propriétés de transport de nanostructures quantiques.

Voir un spin unique

La méthode classique pour stocker de l’information numérique est d’utiliser des matériaux magnétiques : soit on modifie la phase du matériau (CD et DVD), soit on oriente son aimantation par un champ magnétique (disques durs). Une idée alternative est d’introduire des éléments magnétiques dans un semiconducteur : on peut, par exemple, localiser des impuretés magnétiques dans des objets de très petite taille (boîtes quantiques de 10 nm de diamètre) et interagir avec eux par un champ électrique, qui dans un semiconducteur produit des paires électron-trou (dont la charge est positive). Ces paires de charges de signes opposés se lient comme des « atomes » : ce sont des excitons. Pour étudier leurs interactions avec des impuretés magnétiques, nous avons isolé une seule boîte quantique contenant un seul ion magnétique et un seul exciton.

Quand le silicium devient supraconducteur

Le silicium est le semi-conducteur de référence. Il a accompagné toute l’ère de la micro-électronique au cours des cinquante dernières années. Après des investissements considérables, ce matériau est aujourd’hui le plus important pour la technologie de l’information et de la communication. Compte tenu de l’ampleur des recherches sur ce matériau, quelle nouvelle propriété peut-on bien lui trouver aujourd’hui ? Il se trouve qu’en le traitant de façon appropriée, le silicium devient un supraconducteur.

Condensation de Bose-Einstein dans l’état solide

Les condensats de Bose-Einstein sont parmi les objets mythiques de la mécanique quantique. Les particules qui entrent dans cet état particulier perdent leur individualité et se comportent comme si elles ne faisaient qu’une avec des effets de cohérence macroscopique. Les conditions incontournables à remplir pour former un tel condensat sont les suivantes. Tout d’abord il faut avoir affaire à des particules de la famille des « bosons » (voir plus loin). Il faut ensuite, soit augmenter la densité des particules que l’on veut condenser, soit abaisser leur température afin que la distance moyenne entre particules soit comparable à la longueur d’onde qui les caractérise (longueur d’onde de De Broglie).

Prix Olivier Kahn

Le congrès européen de magnétisme moléculaire a decerné le premier Prix International Olivier Kahn à Wolfgang Wernsdorfer, directeur de recherche à l’Institut Néel.

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