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Univ. Paris-Saclay

Faits marquants 2007

19 décembre 2007
H. Gilles, S. Girard, M. Laroche, A. Belarouci CIMAP, Caen

La microscopie optique de type SNOM ("Scanning Near-field Optical Microscopy" ou "Microscopie optique en champ proche") permet d'atteindre des résolutions spatiales bien inférieures à la longueur d'onde de la lumière utilisée. En effet grâce à l'éclairement "en champ proche" (quand la distance entre l'objet et la source est très inférieure à la longueur d’onde) il devient possible de s'affranchir de la diffraction inhérente à tout système optique. La mesure du champ évanescent à l'arrière d'une interface en réflexion totale permet ainsi d'obtenir une image SNOM avec une résolution bien inférieure au micromètre.

24 mai 2007
V. Véniard, E. Luppi et le groupe de Spectroscopie Théorique,
CEA/DRECAM - Laboratoire des Solides Irradiés (LSI), Ecole Polytechnique.

Lorsqu'on éclaire un objet, la transmission, la diffusion, ou l'absorption et la réémission de la lumière traduisent la réponse linéaire du milieu éclairé. A fort éclairement, la réponse de ce même milieu peut devenir non linéaire entraînant la génération d'harmoniques. Le premier terme du second ordre correspond à l'émission de lumière à la fréquence double du rayonnement incident, avec une amplitude proportionnelle à la susceptibilité électrique d'ordre deux du matériau. Au-delà des applications en optique non linéaire (laser), la génération d'harmonique d'ordre deux est aussi beaucoup utilisée comme sonde pour l'étude des surfaces et des interfaces. En effet la brisure de symétrie introduite par la présence d'une surface autorise le phénomène, le plus souvent interdit par la symétrie du volume (centre d'inversion).

Pour l'amélioration des dispositifs non-linéaires (tels que les doubleurs de fréquence) ou la conception de nouveaux matériaux aux propriétés bien spécifiques, une bonne connaissance expérimentale mais aussi théorique des propriétés optiques des matériaux est indispensable. Dans ce but, les premiers calculs de génération d'harmoniques ont été faits avec des théories à électrons indépendants dans un champ moyen, mais l'accord obtenu avec les résultats expérimentaux pour des semi-conducteurs, comme le carbure de silicium (SiC) ou l'arséniure de gallium (AsGa) n'est pas satisfaisant. La détermination théorique précise des susceptibilités d'ordre deux, nécessitant la pris en compte de tous les effets à l'échelle microscopique, est donc loin d'être achevée.

13 novembre 2007

Les agrégats sont des ensembles de quelques, jusqu'à plusieurs millions d'atomes en phase condensée, et de taille finie nanométrique. Etudier leurs propriétés en fonction de leur taille croissante est parfois présenté comme un moyen de construire un monde condensé macroscopique à partir d’un gaz. Ceci apparaît souvent comme exagérément réducteur, car le comportement statique et dynamique des agrégats est souvent sans contrepartie macroscopique, puisque contrôlé par leur surface très importante et leur taille finie. Il s’agit alors de physico-chimie du monde mésoscopique, comme l’illustre cette étude expérimentale récente menée par une équipe du DRECAM/SPAM-Laboratoire Francis Perrin en collaboration avec une équipe de théoriciens de l’Université Paris VI.

19 juin 2007

Thomas Blenskia et Bogdan Cichockib

aCEA Saclay, DSM/IRAMIS/LIDYL, Bât 522, F91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
bInstitute of Theoretical Physics, Warsaw University, Hoza 69,
00-681 Warsaw, Poland

Dans un plasma dense et chaud (étoiles, interaction avec un  laser nanoseconde, fusion inertielle …), les atomes sont partiellement ionisés et forment un mélange d'ions et d'électrons à la dynamique très complexe. Une bonne modélisation de cet état doit être fondée sur une compréhension du système étudié permettant de reproduire l'ensemble de ses propriétés, pour finalement révéler ses particularités Pour un plasma, le bilan radiatif et les propriétés optiques sont des paramètres macroscopiques particulièrement importants à connaître, mais cela nécessite de disposer d'un modèle quantique prenant bien en compte l'ensemble des états atomiques excités tout en restant thermodynamiquement cohérent. C'est ce type de modèle que les théoriciens tentent de développer activement depuis plus de cinquante ans. La difficulté de construire un modèle quantique et thermodynamique d'un plasma a été récemment surmontée par les travaux [6,7] entrepris au DRECAM/SPAM en collaboration avec B. Cichocki de l’Université de Varsovie.

23 mars 2007
V. Brenner, F. Piuzzi, I. Dimicoli, B. Tardivel, and M. Mons SPAM/LFP

Un des grands mystères du monde vivant est qu'il n'est pas symétrique. Les molécules chimiques ou biologiques, comme les acides aminés, peuvent a priori exister sous deux formes asymétriques. Comme nos deux mains, ces deux formes ne sont pas superposables mais sont le reflet l’une de l’autre dans un miroir. De telles molécules, pour lesquelles on distingue une espèce "droite" et "gauche", sont dites "chirales"[1]. Dans les organismes vivants, les protéines sont cependant exclusivement constituées d’acides aminés de type "gauche". Cette sélection d'une seule des deux symétries est une des grandes énigmes scientifiques, à laquelle physiciens, chimistes et biologistes tentent de répondre.

Les protéines sont des chaînes extrêmement longues d'acides aminés. Chaque acide aminé s'ajoute par formation d'une liaison peptidique (CONH) et libération d’une molécule d’eau, laissant un résidu prolongeant la chaîne. Présentes dans les cellules, les protéines ainsi formées se replient et leur fonction dépend de leur conformation et pas uniquement de leur séquence. D'où l'importance de l'étude des mécanismes fondamentaux du repliement des protéines.

En étudiant le repliement de peptides simples formés de deux acides aminés par des approches couplant expérience et théorie, des chercheurs du Service des Photons, Atomes et Molécules du CEA-Saclay éclairent le problème de la chiralité de la vie d'un jour nouveau.
Le simple enchaînement des acides aminés (ou résidus) constitue la structure primaire d'une protéine. Le nombre de possibilités de repliements est très grand. Et pourtant chaque protéine se replie selon un ordre préétabli par sa séquence en suivant des niveaux successifs d'organisation, à commencer par les structures secondaires. Pour bien modéliser et comprendre la structure des protéines, il est donc important d'avoir une bonne description des interactions permettant le repliement en structures secondaires.

[1] Du grec chiros, qui signifie la main, racine des mots chirurgien, chiromancie, chiropraticien…
16 mars 2007
J.M. Mestdagh, L. Poisson, I. Fischer, P. D'Oliveira

Le laser de la Plateforme Laser Femtoseconde Accordable (PLFA), est installé depuis environ un an au Service de Photons Atomes et Molécules (CEA-Saclay ans CNRS). Il fait partie de l'infrastructure SLIC, membre du réseau européen LASERLAB-EUROPE, ce qui le rend accessible par proposition d'expérience aux chercheurs européens. Sa conception repose sur plusieurs paris : cadence de répétition élevée (1 kHz), forte énergie par impulsion (jusqu'à 13mJ à une longueur d'onde de 800nm), large accordabilité (500-750nm) et durée d'impulsion ultracourte (<35 fs = 35x10-15 s) sur l'ensemble de sa gamme de fonctionnement.

Les conditions d'accordabilité, bien qu'exigeantes et difficiles à réaliser, sont essentielles pour permettre des progrès décisifs en physico-chimie des phénomènes ultrarapides. Celles sur la durée d'impulsion le sont pour sonder la dynamique des réactions.
Les recherches dans ce domaine on commencé au DRECAM au début des années 90. Elles ont conduit à une surprise de taille, une sorte de révolution en physico-chimie : l’écoulement de l’énergie au sein de molécules organiques ou bio-organiques a souvent lieu à des échelles de temps sub-picoseconde. Ceci était parfaitement incompatible avec les modèles couramment utilisés de redistribution d'énergie par le couplage entre excitation électronique et vibration.

C'est pour offrir une nouvelle approche plus complète, que le projet de PLFA s'est imposé. La PLFA permet à la fois les études énergétiques, en ajustant la quantité d’énergie déposée dans le système, la sélectivité par l'accordabilité de la source et les études temporelles à l’échelle femtoseconde.

11 avril 2007
S. Petit, F. Moussa, M. Hennion et S. Pailhès (DRECAM/LLB CEA-Saclay)
L. Pinsard-Godard, Laboratoire de Chimie du Solide, Paris XI
A. Ivanov, ILL, BP 156 F-38042 Grenoble

Les multi-ferroïques sont des matériaux qui possèdent la particularité rare d’avoir un état fondamental à la fois magnétique et ferro-électrique [1]. Qui plus est, magnétisme et ferro-électricité y entretiennent des liens étroits : un tel matériau, comme par exemple l’oxyde de manganèse [2] YMnO3, peut ainsi voir son aimantation modifiée par l’action d’un champ électrique, ou sa polarisation électrique par l’action d’un champ magnétique (effet magnétoélectrique). Cette particularité est un problème complexe de physique de la matière condensée ; elle représente également un enjeu important pour les applications, et par exemple pour les "technologies pour l'information et la santé" développées au CEA (développement de nouveaux concepts de mémorisation de l'information ou d'électronique de spin).

Les recherches menées ces dernières années sur ces matériaux tendent à montrer que le couplage entre magnétisme et ferro-électricité s’effectue par le biais d’importantes déformations du réseau cristallin. On sait par exemple que dans le cas du composé YMnO3, la transition (TN = 72K) vers la phase magnétique (et donc multi-ferroïque) est le siège d’effets magnétostrictifs traduisant un fort couplage entre déplacements atomiques, ferro-électricité et moments magnétiques.

27 juin 2007

Des chercheurs de l’Institut d’Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN / CNRS – Universités Lille 1 et Valenciennes, Institut Supérieur de l’Electronique et du Numérique-ISEN) et du Service de Physique de l'Etat Condensé du CEA sont parvenus à réaliser des transistors à partir de nanotubes de carbone sur substrat de silicium. Ces transistors, principalement utilisés comme interrupteur commandé, atteignent des fréquences de coupure de 30 GHz [1], ce qui améliore d’un facteur 4 le dernier record obtenu par les mêmes équipes en août 2006. Ce résultat ouvre de nouvelles perspectives pour les applications grand public nécessitant des fréquences de fonctionnement élevées.

30 mai 2007
La faible sensibilité de la Résonance Magnétique nucléaire (RMN) rend très difficile l'étude de très petites quantités de matière, mais un groupe de recherche du DRECAM a pu repousser la limite de détection de la méthode. L'utilisation de détecteurs mobiles miniaturisés pour obtenir le signal RMN à haute résolution apporte un gain de sensibilité d’un facteur 10 pour des volumes d’échantillon de quelques centaines de nanolitres.

La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) est une technique non invasive qui s’appuie sur les propriétés magnétiques des noyaux des atomes présents dans la matière pour la sonder localement. Elle est cependant peu sensible, ce qui empêche son application sur des échantillons microscopiques ou très hétérogènes. À ce jour, des détecteurs par induction micrométriques et très sensibles ont été développés [2]: ils sont bien adaptés à l’étude des liquides homogènes, mais pas à celle des milieux solides, hétérogènes, tissus biologiques etc.., où les interactions magnétiques sont anisotropes. Pour ces milieux, la solution, aujourd'hui commercialisée pour obtenir des spectres de haute résolution, et donc une bien meilleure analyse physico-chimique, consiste à mettre en rotation rapide l’échantillon autour d’un axe à 54.7° de l'axe du champ magnétique statique (dite rotation à l’angle magique ou Magic Angle Spinning - MAS).

Pour gagner en sensibilité sur de petits échantillons, il est nécessaire d'approcher le plus possible le détecteur (bobine entourant l'échantillon). La difficulté pour obtenir un spectre haute résolution semble alors insurmontable puisqu'il faudrait placer l'échantillon dans un micro-capillaire tournant rapidement de manière stable et reproductible à l'intérieur d'un micro-détecteur de quelques centaines de microns de diamètre intérieur. Ainsi, la mesure de spectres RMN à haute résolution sur des échantillons très petits demande le développement d'une technologie originale. Pour résoudre ce challenge technologique, une équipe du CEA (D. Sakellariou, G. LeGoff et J-F. Jacquinot) a inventé une solution originale en faisant tourner solidairement le micro-détecteur (bobine) et l’échantillon. Le détecteur est alimenté par induction via une bobine extérieure permettant aussi la transmission (sans fil !) du signal utile. L’ensemble tourne à des milliers de tours par seconde ce qui en fait probablement l'antenne tournante la plus rapide au monde.

29 mars 2007
Collaboration VKS (CEA-CNRS-ENS Lyon et Paris), contact CEA : Francois Daviaud

La Terre a subi au cours des âges géologiques plusieurs renversements erratiques de son champ magnétique. Celui du soleil se renverse quant à lui périodiquement selon son cycle d’activité de 22 ans. Ces dynamiques magnétiques, encore assez mystérieuses, jouent un rôle dans l’exposition de notre planète aux rayons cosmiques. La collaboration VKS1 (CEA2, CNRS3,4, Ecole normale supérieure de Lyon3, Ecole normale supérieure-Paris4) a observé pour la première fois en laboratoire des renversements d’un champ magnétique dans un écoulement très turbulent de sodium liquide. Ces expériences devraient permettre de mieux comprendre la dynamique des champs magnétiques cosmiques. Ce résultat est publié dans Europhysics Letters, volume 77, de mars 2007.

Le champ magnétique de la Terre est créé par des mouvements très désordonnés qui agitent le noyau de fer liquide se trouvant en son centre : c’est l’effet « dynamo ». Une de ses caractéristiques les plus étonnantes, révélée par les études paléomagnétiques, est  l’inversion aléatoire des pôles magnétiques. Ceux-ci restent proches des pôles géographiques et s’échangent entre nord et sud, environ tous les 100 000 ans, bien que des périodes plus longues sans renversement se soient produites. Les renversements durent quant à eux en moyenne quelques milliers d’années.

28 mars 2007
M.-A. Dubois1, L. H. Emmons2, L. Cournac3, P. Chatelet4, N. C. A. Pitman5, V. Vilca5, & L.-F. del Aguila6

1CEA Saclay, DSM/DRECAM/Service de Physique de l ’Etat Condensé, L ’Orme des Merisiers, 91191 Gif sur Yvette, France
2Department of Zoology NHB 390 MRC 108, Smithsonian Institution, P.O.Box 37012,Washington, DC 20013-7012 USA
3CEA Cadarache, DSV/DEVM/Laboratoire d ’Ecophysiologie de la Photosynthèse, 13108 Saint Paul Lez Durance Cedex, France
4CNRS/URA 1183,Muséum National d ’Histoire Naturelle,
4 avenue du Petit Château,91800 Brunoy, France
5Asociación para la Conservación de la Cuenca Amazonía,
Calle Cuzco 499, Puerto Maldonado, Madre de Dios, Perú
6Fundación Amigos de la Naturaleza, Santa Cruz de la Sierra, Bolivia

07 février 2007
M. Roger1, D.J.P Morris2, D.A. Tennant3,4, M.J. Gutmann5, J.P. Goff2, J.-U. Hoffmann3, R. Feyerherm3, E. Dudzik3, D. Prabhakaran6, A.T. Boothroyd6, N. Shannon7, B. Lake3,4 & P.P. Deen8.

1Service de Physique de l’Etat Condensé (CNRS/MIPPU/URA 2464), DSM/DRECAM/SPEC, CEA Saclay, P.C. 135, F-91191 Gif sur Yvette, France.
2Dept. of Physics, University of Liverpool, Oliver Lodge Laboratory, Liverpool L69 7ZE, UK.
3Hahn-Meitner Institute, Glienicker Strasse 100, Berlin D-14109 Germany.
4Institute für Festkörperphysik, Technische Universität Berlin, Hardenbergstrasse 36, Berlin D-10623 Germany,
5ISIS Facility, Rutherford Appleton Laboratory, Chilton, Didcot, Oxon OX11 OQX, UK.
6Clarendon Laboratory, Parks Road, Oxford OX1 3PU, UK.
7H.H Wills Physics Laboratory, University of Bristol, Bristol BS8 1TL, UK.
8European Synchrotron Radiation Facility, BP 220, F-38043 Grenoble Cedex, France.

27 janvier 2007
A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, C. Gasquet, R. Monchaux, V. Padilla, avec la participation de L. Marié et F. Ravelet, DSM/DRECAM/SPEC
Collaboration VKS : CEA - ENS Lyon - ENS Paris -

C’est sur le principe de la dynamo que repose la production d’une grande partie du courant électrique que nous consommons. Un courant électrique est créé dans une boucle conductrice se déplaçant dans un champ magnétique : c'est l’effet dynamo. Il y a conversion d'énergie mécanique en énergie électromagnétique. Inversement, un courant dans une boucle conductrice produit un champ magnétique. Un courant produit un champ, un champ produit un courant, mais sans champ et sans courant initiaux, l'effet dynamo peut-il s'amorcer et se stabiliser ? (une fluctuation de courant induisant une fluctuation de champ qui amplifie le courant etc…).

La plupart des objets astrophysiques (planètes, étoiles, galaxies..) possèdent un champ magnétique. Larmor propose en 1919 que ces champs magnétiques – en particulier celui du soleil – soient engendrés spontanément par l'effet dynamo à partir du mouvement d’un fluide conducteur (dynamo fluide). Les équations qui régissent ce phénomène sont connues (équations de Maxwell et loi d’Ohm, équations de Navier-Stokes) et, dans le cas d’écoulements simples et constants, les calculs analytiques montrent la réalité de l'effet. Mais qu'en est-il en présence de turbulence ?

21 septembre 2007
Vincent Mévellec, Sébastien Roussel, Guy Deniau, Serge Palacin

Le greffage de polymères sur des surfaces conductrices de l’électricité suscite depuis plusieurs années toute l’attention de l’équipe du Laboratoire de Chimie des Surfaces et des Interfaces dirigé par Serge Palacin. Les nombreux brevets déposés sur l’électrogreffage (eG ©) on contribués à la création de la première start-up issue de DSM, Alchimer, qui valorise depuis maintenant 5 ans ce savoir faire. Un nouveau pas vient récemment d’être franchi dans la course à la fonctionnaliosation des surfaces par l’introduction d’un nouveau procédé : Pegas.

15 avril 2007
P. Viswanath, J. Daillant, L. Belloni, M. Alba, DRECAM/SCM - Service de Chimie Moléculaire
S. Mora (LCVN, Montpellier) et O. Konovalov (ESRF)

Fiche fait marquant au format PDF

Dissoudre du sel (NaCl) dans l'eau n'est pas anodin. En solution, le sodium et les chlore se séparent sous forme ionique Na+ et Cl-, s'entourent de molécules d'eau et se dispersent. Ceci modifie profondément la nature du solvant qui devient ainsi, par exemple, bon conducteur. Au niveau de la surface, la distribution des ions reste cependant encore très mal connue, bien que de nombreuses propriétés "de contact" en dépendent.

Ainsi, pourquoi HCl diminue-t-il la tension de surface de l'eau alors que NaCl l'augmente? Pourquoi KCl est-il deux fois plus efficace que NaCl pour cristalliser le lysozyme(i) ? Les questions de ce type, qui illustrent la spécificité ionique, abondent en biologie, science de l'environnement et de l'atmosphère, sciences des matériaux, physico-chimie… Ces effets, dont certains ont été décrits dès les travaux de Hofmeister en 1888 [1], n'ont cependant toujours pas trouvé d'explication globale. Jusqu'à présent, seules des lois empiriques ont pu être dégagées à partir d'observations généralement macroscopiques. La difficulté tient à ce que ces effets sont dus essentiellement à des couplages forts à très courte portée (en dessous du nanomètre) entre ions et molécules de solvant, et au manque de mesures de profils ioniques aux interfaces.

 

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