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Univ. Paris-Saclay

Faits marquants 2014

18 décembre 2014

En 2010, des chercheurs japonais ont prouvé que du moment magnétique de spin pouvait être échangé entre l'aimantation d'un matériau ferromagnétique isolant et les électrons de conduction d'un métal normal adjacent [1]. En théorie, ce transfert de spin permet de contrôler électroniquement la relaxation de la couche magnétique, mais aucune expérience concluante n'a été réalisée depuis.

En mesurant précisément la largeur de raie dans le système hybride YIG | platine, il a pu être montré que le temps de relaxation du grenat d'Yttrium Fer (YIG) peut être réduit ou augmenté en fonction de la polarité du courant injecté dans le platine, couvrant une variation d'un facteur cinq [2].

 

La découverte qu'un courant pur de spin peut  être transféré d'une couche magnétique isolante à une couche métallique adjacente, et vice versa, ouvre de nouvelles perspectives [1]. En particulier, cela permet d'incorporer des matériaux tels que le YIG, connu pour ses propriétés hyperfréquences inégalées, dans les dispositifs innovants de la spintronique. Même si ce matériau magnétique est isolant, il est en effet possible de détecter électriquement sa dynamique. En précessant à la fréquence de résonance, son aimantation perd du moment angulaire à l'interface avec le métal adjacent, qui offre un canal de relaxation pour l'aimantation dynamique : c'est le pompage de spin. S'il existe un couplage spin-orbite dans ce métal, comme dans le platine, ce courant de spin est converti en courant de charge par effet Hall de spin inverse, ce qui permet sa détection. Ce mécanisme est maintenant bien établi [3, 4, 5]. L'effet réciproque, à savoir le transfert d'un courant de spin – généré par effet Hall de spin dans le platine – dans la couche de YIG, n'a pas été reproduit depuis les premiers signes expérimentaux de compensation de la relaxation dans le YIG [1]. Un des problèmes récurrents des études expérimentales jusqu'ici est l'utilisation de couches épaisses de YIG (> 1 µm), alors que l'effet recherché est de nature interfaciale, donc prépondérant dans les couches ultra-minces. Un autre problème est l'utilisation d'échantillons de grande taille latérale (~ mm), où plusieurs ondes de spin quasi-dégénérées entrent en compétition vis-à-vis de la même source de moment angulaire, ce qui pourrait auto-limiter le phénomène et empêcher le démarrage d'auto-oscillations dans le YIG [6].

 

Il est possible d'isoler un seul mode dynamique susceptible d'absorber le courant de spin injecté, en réduisant fortement les dimensions latérales du YIG, afin de séparer en énergie les différentes ondes de spin [7]. Pour cela, il a pu être tiré parti des récents progrès dans la croissance de couche ultra-minces de YIG épitaxiales par ablation laser pulsé, obtenus par nos collègues de l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales [3]. Grâce à une technique de microscopie en champ proche développée au Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes du SPEC [8], les variations spectrales, induites par le courant injecté dans le platine d'un disque de YIG(20 nm)|Pt(7nm) de 5 microns de diamètre (figure 1), ont pu être étudiées.

02 décembre 2014
Des chercheurs de l'Institut des sciences chimiques de Rennes, en collaboration avec l'ENS Cachan, l'École Polytechnique (Palaiseau) et le CEA (Saclay), ont développé de nouvelles familles de semi-conducteurs organiques, utilisées pour la première fois avec succès dans des PhOLEDs (diodes électrophosphorescentes organiques). Publication dans Angewandte Chemie International Edition.
17 novembre 2014

Au quotidien, les aimants permanents sont partout présents dans les dispositifs technologiques qui nous entourent. Aujourd’hui, il y en a 4 types principaux sur le marché mondial : NdFeB, ferrite, SmCo et AlNiCo, dont 65% contiennent des terres rares, essentiellement du néodyme. Depuis 2008, la Chine a établi un monopole de production des terres rares avec près de 95 % de la production mondiale, ce qui a entrainé une forte augmentation des prix ces dernières années. Suite aux restrictions de la Chine sur ses exportations, ce problème d’approvisionnement en terres rares est là pour durer.

Il y a donc un fort enjeu économique à trouver des alternatives à l'emploi des terres rares dans les aimants permanents. Une des voies, sur laquelle les équipes du LLB, de l’INSA de Toulouse et de l'ITODYS travaillent en collaboration, est d’utiliser l’anisotropie de forme pour augmenter la coercivité des matériaux. Il s’agit d’une idée ancienne, déjà utilisée en autre dans les aimants AlNiCo. Les progrès récents dans la synthèse de nano-objets magnétiques ont permis de revisiter l’idée et de l’appliquer à des métaux simples. Il a ainsi été possible de concevoir des matériaux à base de cobalt, ayant des propriétés intrinsèques équivalentes à celles des meilleurs aimants SmCo.

 

30 octobre 2014

En information quantique, il est essentiel de connaître complètement l’état quantique de l’objet (photon, électron ou spin) qui porte l’information. Ceci est possible par une procédure, appelée tomographie, qui consiste à mesurer la fonction d’onde par tranches successives. La tomographie est une procédure aujourd'hui bien connue pour un photon. Elle consiste à mélanger celui-ci avec le faisceau intense d'un laser (i.e. un champ intense de photons) et à observer les interférences qui en résultent. Cette méthode ne peut s'appliquer à un fermion, car il n'existe pas l'équivalent du champ intense de photons (l’amplitude d’un champ quantique de fermion est limitée, chaque état accessible étant occupé au plus par un seul fermion). La tomographie d’un électron unique itinérant dans un conducteur demande ainsi le développement d'une méthode originale.

Les chercheurs du SPEC au CEA Saclay, en collaboration avec le LPN CNRS pour les échantillons fournis, ont réussi à atteindre la sensibilité de mesure ultime permettant la première tomographie d’un électron [1]. Pour tester cette mesure, les électrons à tomographier ont été générés sous forme de "lévitons" [2] dont la fonction d’onde bien comprise a pu être comparée aux mesures de bruit en courant révélant l’interférence de lévitons avec un champ de fermion obtenu par un petit courant électronique alternatif appliqué au conducteur. Ces résultats ouvrent la voie à la caractérisation d’états quantiques plus complexes et sont une avancée importante pour des "qubits volants", support d'information quantique, portés par des électrons dans des conducteurs quantiques.

 

17 juin 2014

Des diodes, transistors et autres composants électroniques sans métal, uniquement à base de carbone, seraient-ils possibles ? C’est ce que vient de démontrer une équipe franco-espagnole menée par le Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, URA 2464 CNRS/CEA). Dans des travaux publiés dans Nanoscale, cette équipe a réalisé la première description théorique d’une jonction moléculaire tout carbone, constituée d’une molécule de fullerène connectée à une électrode en graphène. En résolvant les équations de la mécanique quantique, les auteurs  démontrent les propriétés conductrices de la jonction. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique moléculaire entièrement à base de carbone.

 

05 juin 2014

La capture et le traitement de l'information sont aujourd'hui essentiellement portés par des dispositifs basés sur le transport électrique (i.e. transport de charge, porté par les électrons ou les trous d'électrons) et l'ordre magnétique. Le transport thermique pourrait être aussi efficace pour réaliser des capteurs, voire des circuits performants.

Pour ceci, l'ensemble des couplages entre gradients (de potentiel et/ou de température) et transport électrique et/ou thermique, et en présence d'une aimantation, doivent être complètement explorés. Par une étude complète dans les isolants et les conducteurs des phénomènes de transport thermique, une équipe du LSI a identifié des effets nouveaux et forts, analogue à un "effet Hall thermique anisotrope", qui ont pu être modélisés par l'écriture d'une nouvelle équation complète, incluant les effets liés à l'aimantation du matériau. Ces effets peuvent être la source potentielle d'applications innovantes dans la réalisation de capteurs originaux et le traitement de l'information.

 

12 mai 2014

L’électronique de spin, où l'orientation du spin de l'électron est prise en compte comme support de l'information, poursuit son développement depuis plus de trente ans. La technologie associée s'appuie essentiellement sur l’utilisation de matériaux ferromagnétiques en couches minces, mais les matériaux antiferromagnétiques (AF) peuvent aussi présenter un grand intérêt dans la réalisation de couches actives.

Grâce aux récents progrès en diffraction de neutrons obtenus au LLB, et dans le cadre d'une collaboration avec l’Institut Jean-Lamour de Nancy, une étude d'un empilement de couches AF à base de chrome (Cr/MgO/Cr) a pu être menée. Celle–ci montre en particulier la nature du couplage de l'ordre AF entre les couches de Cr. Ces résultats renforcent l'intérêt de l'utilisation de couches AF dans la réalisation de dispositifs en électronique de spin.

05 février 2014

La course à la miniaturisation des diodes électroluminescentes (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED) vient sans doute de franchir l’étape ultime : une équipe menée par l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), en collaboration avec l’UPMC et le CEA, vient de réaliser la première LED composée d’une seule molécule. Ce dispositif est formé d’un brin unique de polythiophène placé entre la pointe d’un microscope à effet tunnel et une surface en or. Il émet de la lumière seulement lorsque le courant passe dans un certain sens. Ce tour de force expérimental permet de mieux comprendre les interactions entre électrons et photons aux plus petites échelles. Il constitue par ailleurs un pas de plus vers la réalisation de composants pour un futur ordinateur moléculaire. Ces travaux viennent d’être publiés dans Physical Review Letters.

 

26 juin 2014

Le platine est un élément de référence en matière d'efficacité catalytique, en particulier pour la filière hydrogène énergie : électrolyse de l'eau et réactions à la membrane de piles à combustible. Son abondance limitée, et donc son coût élevé, interdisent cependant son usage généralisé dans des dispositifs à bas coût, et des voies alternatives doivent être développées.

Au LICSEN (CEA-Saclay/DSM/IRAMIS), des structures hybrides supramoléculaires à base de nanotubes de carbone et de porphyrines de cobalt ont été testées comme catalyseur électrochimique pour la réduction de l’oxygène. La méthode de fonctionnalisation des nanotubes de carbone combine les avantages des approches covalente et non-covalente, sans leurs limitations respectives. Les hybrides élaborés réduisent l’oxygène directement en eau via un processus à 4 électrons en milieu acide, avec une très faible formation de peroxyde d’hydrogène (produit intermédiaire, résultant d'un processus à deux électrons), ce qui les rend utilisables pour les piles à combustible de type "Proton Exchange Membrane Fuel Cells" - PEMFCs.

 

15 mai 2014

Les structures carbonées nanométriques (nanotubes, fullerènes, plan de graphène,…) possèdent des propriétés de conduction électronique remarquables, dont on essaye de tirer parti pour réaliser de nouveaux dispositifs (capteurs, composant électronique, …), mais à condition de maitriser les différents procédés de leur mise en œuvre. Une équipe de l'IRAMIS/NIMBE vient d'apporter la démonstration d'un procédé générique de fonctionnalisation locale par microscopie électrochimique, à partir de films minces de graphène oxydé.

Le graphène oxydé peut être aisément déposé sur une très grande variété de substrats, et l’étape clé de notre méthode consiste à réduire localement cette couche carbonée à l’aide d’une microélectrode plongée dans une solution électrolytique. Les zones réduites, de taille micrométriques, deviennent alors conductrices, permettant d'y fixer une très grande variété de fonctions chimiques par simple électrogreffage de sels de diazonium.

Ce procédé, à base de graphène initialement oxydé, permet d'implanter localement et de façon contrôlée une grande diversité de fonctions chimiques à la surface de divers substrats, en particulier des isolants.

 

05 mai 2014
Des travaux impliquant des chercheurs de l’IRAMIS et de l’INAC ont permis de créer des nano-architectures bioinspirées hybrides composées de molécules de porphyrines fonctionnalisées par des brins d’ADN synthétiques. Ces édifices moléculaires constituent de nouvelles briques pour la réalisation d’auto-assemblages nanométriques qui pourraient trouver de nombreuses applications dans le domaine de l’électronique, de l’optique, de la catalyse ou encore en médecine.
06 mars 2014

Comprendre comment se forment les nanoparticules dans l’eau et à température ambiante est un enjeu important, tant pour la compréhension de mécanismes naturels que pour la synthèse efficace de nanomatériaux. Or, les schémas de croissance classiquement invoqués (processus de germination - croissance) échouent parfois dramatiquement à décrire la réalité, notamment les tailles finales, la qualité cristalline et la vitesse de production. Les progrès en la matière sont ralentis du fait de la grande difficulté à observer les étapes intermédiaires entre la solution avant réaction, et la construction du premier nanocristal.

Un groupe de chercheurs de l'IRAMIS/NIMBE, du laboratoire de Physique de la Matière Condensée de l'École Polytechnique et de l'Université Pierre-et-Marie-Curie a réussi cette prouesse en utilisant notamment le rayonnement du synchrotron SOLEIL. Leurs observations ont permis de proposer un schéma de croissance inhabituel, mais certainement générique. Ces résultats ont été publiés récemment dans ACS Nano, et ouvrent de nouvelles perspectives pour la préparation de sondes biologiques luminescentes et de précurseurs pour des couches minces luminescentes transparentes.

 

07 juillet 2014

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique d'analyse chimique très puissante. Au-delà du contraste usuel, fonction des temps de relaxation des spins nucléaires, le décalage en fréquence du signal RMN, issu d'atomes avec un environnement moléculaire différent ("décalage chimique"), offre une sélectivité spectroscopique.

Sur ce principe, des agents de contraste RMN sont obtenus en utilisant des atomes lourds engagés dans des complexes supramoléculaires. Le LSDRM a en particulier fait sa spécialité dans la conception de telles biosondes à base de RMN 129Xe, où le xénon polarisé en spin est encapsulé dans des molécules-cages fonctionnalisées par des ligands, conçus pour reconnaître des cibles spécifiques. Dans cette approche, l'effet de sélectivité spectrale (la résonance du xénon encagé prenant une fréquence spécifique, fonction par exemple de la nature précise de la cage) est ici complété par la haute sensibilité de la RMN apportée par l’hyperpolarisation de spin du gaz rare.

Pour concevoir et utiliser au mieux ces sondes, les équipes du LSDRM et du LCMCE de l'IRAMIS/NIMBE, en collaboration avec une équipe de l'IBiTec-S/SCBM, ont cherché à modéliser leurs paramètres RMN. Dans une publication dans Angewandte Chemie, ils rapportent les résultats remarquables obtenus par simulation, en excellent accord avec leurs résultats expérimentaux.

22 juillet 2014

Les propriétés des molécules flexibles sont fonction de leur forme et leurs applications intéressent de multiples domaines (médicaments, nouveaux matériaux…). Un enjeu majeur dans ce domaine est de pouvoir contrôler leur repliement pour in fine contrôler leurs propriétés. De nombreuses techniques existent pour caractériser les différentes conformations que peuvent adopter ces molécules flexibles, dont la spectroscopie IR. La présente étude, impliquant une équipe du LIDyL en collaboration avec deux équipes de l’Université Paris-Sud, porte sur une fonction chimique très appréciée dans la synthèse de molécules flexibles de forme contrôlée : la fonction hydrazide (–CO-NH-N<).

Les conformations des systèmes flexibles sont structurées en partie par l’hyperconjugaison (interaction stabilisante des électrons d’une liaison σ avec une orbitale vide adjacente) dont la mise en évidence expérimentale directe restait jusqu’à présent très limitée. Cette étude montre que la spectroscopie IR est extrêmement sensible aux effets d’hyperconjugaison se produisant au cœur des hydrazides, offrant ainsi un puissant diagnostic conformationnel.

En parvenant à caractériser ces effets sur des hydrazides, la spectroscopie IR ouvre ainsi des perspectives non seulement pour la caractérisation des conformations de nombreux systèmes flexibles, mais aussi pour l’étude plus fondamentale du concept d’hyperconjugaison et de sa modélisation.

16 mai 2014

Un des objectifs de la physico-chimie est de suivre de façon fine et détaillée les chemins réactionnels des différents composants au cours d'une réaction chimique. Pour ceci de nombreuses techniques ont été mises en point : études en cellules, en jets effusifs ou supersoniques, spectroscopie laser, spectrométrie de masse…

Une technique originale "Cluster Isolated Chemical Reaction" (CICR) a été développée par le groupe de Dynamique Réactionnelle du LIDyL/LFP à des fins d'études de spectroscopie et de dynamique réactionnelle [1]. Elle consiste à observer ces réactions sur un nanoréacteur, constitué d'un simple agrégat de van der Waals. Elle a été récemment appliquée avec succès au cas d'une simple goutte d'hélium refroidie, qui constitue un milieu assez fascinant, car réunissant très basse température (0.37 K), superfluidité et taille finie. Cette taille finie permet de piéger et d'isoler un nombre contrôlé de molécules et de stabiliser des complexes intermédiaires de très faible stabilité. L'étude de telles molécules apporte des informations d'une très grande précision sur les surfaces de potentiel intramoléculaire, permettant d'améliorer la fiabilité des modèles associés.

26 juin 2014

Le platine est un élément de référence en matière d'efficacité catalytique, en particulier pour la filière hydrogène énergie : électrolyse de l'eau et réactions à la membrane de piles à combustible. Son abondance limitée, et donc son coût élevé, interdisent cependant son usage généralisé dans des dispositifs à bas coût, et des voies alternatives doivent être développées.

Au LICSEN (CEA-Saclay/DSM/IRAMIS), des structures hybrides supramoléculaires à base de nanotubes de carbone et de porphyrines de cobalt ont été testées comme catalyseur électrochimique pour la réduction de l’oxygène. La méthode de fonctionnalisation des nanotubes de carbone combine les avantages des approches covalente et non-covalente, sans leurs limitations respectives. Les hybrides élaborés réduisent l’oxygène directement en eau via un processus à 4 électrons en milieu acide, avec une très faible formation de peroxyde d’hydrogène (produit intermédiaire, résultant d'un processus à deux électrons), ce qui les rend utilisables pour les piles à combustible de type "Proton Exchange Membrane Fuel Cells" - PEMFCs.

 

15 mai 2014

Les structures carbonées nanométriques (nanotubes, fullerènes, plan de graphène,…) possèdent des propriétés de conduction électronique remarquables, dont on essaye de tirer parti pour réaliser de nouveaux dispositifs (capteurs, composant électronique, …), mais à condition de maitriser les différents procédés de leur mise en œuvre. Une équipe de l'IRAMIS/NIMBE vient d'apporter la démonstration d'un procédé générique de fonctionnalisation locale par microscopie électrochimique, à partir de films minces de graphène oxydé.

Le graphène oxydé peut être aisément déposé sur une très grande variété de substrats, et l’étape clé de notre méthode consiste à réduire localement cette couche carbonée à l’aide d’une microélectrode plongée dans une solution électrolytique. Les zones réduites, de taille micrométriques, deviennent alors conductrices, permettant d'y fixer une très grande variété de fonctions chimiques par simple électrogreffage de sels de diazonium.

Ce procédé, à base de graphène initialement oxydé, permet d'implanter localement et de façon contrôlée une grande diversité de fonctions chimiques à la surface de divers substrats, en particulier des isolants.

 

17 décembre 2014

En datant par carbone 14 les pièces métalliques retrouvées dans les cathédrales gothiques, une équipe interdisciplinaire vient de démontrer, pour la première fois par une datation absolue, que le fer était introduit en renfort de la pierre dès l'étape de construction. Cette étude, fruit d'une collaboration entre le Laboratoire archéomatériaux et prévision de l'altération [1] (CNRS/CEA), le Laboratoire de mesure du carbone 14 (CNRS/CEA/IRD/IRSN/Ministère de la Culture et de la Communication) et l'équipe Histoire des pouvoirs, savoirs et sociétés de l'Université Paris 8, éclaire d'un jour nouveau la maîtrise technique et les intentions des bâtisseurs de cathédrales. Elle est publiée dans le numéro de janvier 2015 de la revue Journal of Archaeological Science. Cette méthode innovante pourrait renouveler la compréhension des bâtiments médiévaux, en Europe, comme la Sainte-Chapelle mais également en Asie, tels les temples d'Angkor.

30 octobre 2014

Élaborer de manière reproductible et bien contrôlée des nanostructures sur une surface solide, pouvant présenter des propriétés originales (détecteurs de gaz, capteur magnétique, réactivité et catalyse, etc…), demande des outils originaux et de bien comprendre les phénomènes de structuration de surface (ruptures de liaison, diffusion, ségrégation, …).

Parmi les techniques possibles, la structuration de la matière par faisceau d’ions est une technique originale au cœur de l'activité de recherche du groupe MADIR - Matériaux, Défauts et Irradiation du CIMAP. Récemment, cette équipe, en collaboration avec des équipes chinoise et autrichienne, s’est intéressée aux modifications de surface du CaF2 et à la création de plots indépendants, en jouant tant sur l’énergie cinétique que sur l’état de charge des faisceaux d’ions.

Un diagramme de phase pour la formation de plots sur la surface de CaF2 irradié avec des ions Xe a ainsi pu être établi en fonction de la perte d’énergie par excitation électronique, liée à l'énergie cinétique des ions, et de leur énergie potentielle (somme des énergies de liaisons des électrons manquants). Dans le régime intermédiaire, entre dépôts d’énergie purement cinétique ou purement potentielle, une formalisation et d’une modélisation 3D a permis de montrer, que l'additivité des deux processus explique la formation de nanostructures, sous les seuils de formation de nanostructures induits par l’un ou l’autre des mécanismes.

30 août 2014

La maitrise du vieillissement des cellules photovoltaïques à base de semi-conducteurs est un enjeu important du fait de leur coût. Pour les missions spatiales lointaines, l'enjeu est encore plus important puisque c'est de la fiabilité et de la robustesse des performances de cette source d'énergie embarquée que dépend le succès de la mission.

Les chercheurs de l'IRAMIS-LSI ont ainsi étudiés les performances de cellules photovoltaïque triple jonction GaInP/GaIn/Ge destinées à alimenter la sonde de la mission JUICE/Laplace (JUpiter ICy moon Explorer) qui sera lancée en 2022, pour être placée en orbite autour de Ganymède, satellite de Jupiter. Les performances des cellules et leur vieillissement sous irradiation, dans les conditions similaires à celles qui seront rencontrées au cours de la mission, ont plus particulièrement été étudiés et modélisés.

 

09 février 2014

Une collaboration de chercheurs issus des laboratoires CRISMAT à Caen, LLB et SOLEIL sur le plateau de Saclay et de l'Institut Gerhardt de Montpellier, vient de mettre en évidence des propriétés inédites d’absorption-restitution de l’oxygène dans une ferrite multiferroïque, ouvrant ainsi la voie à des nouvelles applications multifonctionnelles.

 

09 avril 2014
Collaboration entre l'IRAMIS/SPEC du CEA et le Centre de Recherches sur la Cognition Animale (UMR 5169, UPS - CNRS)

 

En collaboration avec des biologistes et physiciens du Centre de Recherches sur la Cognition Animale de Toulouse, l'équipe de Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC/SPHYNX) a construit puis étudié un modèle permettant de simuler numériquement la dynamique collective d'un banc de poissons. Contrairement aux nombreux autres modèles proposés dans la littérature pour l’étude des mouvements collectifs d’espèces grégaires (souvent intéressants pour le théoricien mais peu réalistes), ce modèle a été élaboré après avoir longuement analysé le comportement de poissons en bassin et ainsi identifié la nature des interactions entre individus. Il prédit l’existence de différentes phases dynamiques collectives (de type « essaim », « banc » ou « vortex »), en accord avec les observations expérimentales. Les résultats montrent que le passage d’une phase à une autre est déterminé par la vitesse des poissons et leur tendance à rester proches les uns des autres (interaction attractive) en pointant dans une même direction (interaction d’alignement).

 

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