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Univ. Paris-Saclay

Faits marquants 2015

14 décembre 2015

La spectroscopie par Résonance de Spin Electronique (ESR) permet de déterminer la concentration et les propriétés des espèces paramagnétiques présentes dans un échantillon, ce qui en fait un outil d’analyse important pour la biologie et la chimie. La sensibilité des spectromètres les plus performants à l’heure actuelle ne permet cependant pas de détecter moins de 107 spins en une expérience, ce qui limite l’applicabilité de la méthode à des échantillons macroscopiques.

Comme le rapporte dans un article de Nature Nanotechnology une collaboration de chercheurs autour de l'équipe quantronique du SPEC,  Il est possible d’améliorer de 4 ordres de grandeur cette sensibilité en utilisant des techniques issues de la recherche sur les circuits supraconducteurs, permettant ainsi la détection de seulement 2 000 spins en une expérience et ouvrant la voie à la spectroscopie ESR de nano-échantillons.

L'objectif final ? Dans le cadre du projet ERC porté par Patrice Bertet : "Pousser la sensibilité de la méthode à sa limite quantique ultime", c’est-à-dire détecter un unique spin électronique ! Outre la possibilité d’effectuer la spectroscopie ESR de molécules uniques, ceci constituerait un tout premier pas vers le développement d’un processeur quantique à base de spins individuels intriqués et mesurés par des circuits électriques supraconducteurs.

 

16 novembre 2015

Les excitons sont des excitations élémentaires collectives de basse énergie de la matière solide, impliquant la création de paires électron-trou. Ces excitations sont au cœur de l'interaction lumière-matière et à l'origine de phénomènes aussi divers que les processus photovoltaïques ou photo-catalytiques.

Les excitons peuvent être modélisés à l'aide d'approximations simples (modèles de Frenkel ou Wannier [1] ). Cependant de nouveaux développements théoriques sont nécessaires pour rendre compte précisément des progrès récents dans les mesures expérimentales à haute résolution (spectroscopie électronique de perte d'énergie (EELS) ou la diffusion inélastique des rayons X (IXS : Inelastic X-ray Scattering).

Dans ce travail, une collaboration de chercheurs autour de l'équipe ETSF du LSI montre comment une approche ab initio à plusieurs corps peut être étendue pour traiter les excitations propagatives à grand transfert de moment [2], et aller ainsi au-delà des limitations des principes de base [1]. Les courbes de dispersion des excitons de plusieurs systèmes (LiF, Ar, BN, graphane, et solides moléculaires) [3, 4, 5, 6] ont été ainsi obtenues, suggérant de nouvelles expériences. avec la mise en évidence d'un nouveau type d'excitation élémentaire : "l'excitaron", résultant de l'interaction entre trou et exciton [7].

 

19 octobre 2015

Depuis sa découverte le graphène suscite un intérêt considérable du fait de ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. Il se présente aujourd’hui comme l’un des nano-objets les plus prometteurs dans de nombreux domaines d'applications allant de l'électronique à la production et au stockage d’énergie. Au-delà de l’obtention de graphène en grande quantité et à bas coût, la qualité des feuillets de graphène et de leur assemblage sont bien entendu déterminants pour garantir les performances des dispositifs. Ces 3 conditions forment un pré-requis indispensable aux développements industriels.

Une nouvelle méthode de formation de films ultra-minces d'oxyde de graphène a été développée et optimisée par une équipe de l'IRAMIS. Cette méthode est basée sur le transfert d'un film d'eau stabilisé par des tensioactifs et contenant les nano-objets à assembler. La qualité structurale des films et du traitement de réduction du graphène, ainsi que les propriétés optiques et électriques obtenues ont été caractérisées. Les résultats montrent que les électrodes réalisées sont particulièrement performantes. Des cellules solaires prototypes basées sur des hétérojonctions silicium/carbone ont pu être élaborées par ce procédé, qui présente plusieurs avantages indéniables du point de vue de sa simplicité et de la qualité du produit obtenu.

 

Plusieurs voies permettent d’obtenir du graphène. Le graphène obtenu par clivage mécanique (c'est à dire par la méthode historique dite "d'exfoliation au scotch") est d’excellente qualité et a permis les principales avancées scientifiques. Cependant, cette technique n'est pas transposable à grande échelle. Récemment, la croissance de graphène par CVD (chemical vapor deposition) sur surface métallique a fait d'immenses progrès et permet d'obtenir des feuillets de grande qualité et de superficie croissante. Par ailleurs, les voies reposant sur l’exfoliation en voie humide du graphite, composé abondant sur Terre, sont considérées comme les plus adaptées à l’obtention de graphène en très grande quantité et à moindre coût. Mais malgré les progrès récents, l’exfoliation directe du graphite en solution aqueuse ou organique mène généralement à l’obtention de feuillets multicouches et de très faibles dimensions.

Il existe une autre voie pour obtenir en grande quantité ces feuillets carbonés (Figure 1). Cette voie repose sur une première étape d’oxydation du graphite qui entraîne une fonctionnalisation des plans de graphène par des groupements oxygénés. Cette fonctionnalisation se traduit par une augmentation de la distance entre les plans et confère au matériau un caractère hydrophile particulièrement utile. La combinaison de ces deux propriétés facilite grandement l’exfoliation du graphite oxydé en milieu aqueux, et permet d’obtenir des feuillets monocouches d’oxyde de graphène en suspension dont la surface est bien plus grande que lors de l’exfoliation directe du graphite. En tant que métériau isolant, l’oxyde de graphène a des utilisations directes en nanochimie ou en biologie, mais il est nécessaire de le réduire pour recouvrer des propriétés physiques et électriques intéressantes, se rapprochant des propriétés du graphène.

09 mai 2015

L'utilisation des propriétés de spin de l'électron a permis de révolutionner le traitement de l'information, en particulier par la conception de capteurs magnétiques à magnétorésistance géante de très haute sensibilité. Au-delà de ces capteurs constitués de couches minces magnétiques séparées par une interface, de nouveaux systèmes, pouvant permettre une plus grande intégration ou une plus grande sensibilité méritent d'être explorés.

Parmi les systèmes qui permettent de polariser en spin le courant électronique, un polymère purement organique et non-magnétique ne semble a priori pas être le candidat idéal. Pour autant, c’est ce que viennent de démontrer des chercheurs du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA Saclay). Dans des travaux théoriques publiés dans Nano Letters, cette équipe a montré la possibilité de fabriquer un filtre à spin quasi-parfait en utilisant un simple brin de molécule organique (une molécule de polythiophène) connectée entre deux électrodes ferromagnétiques. Cette démonstration repose sur de simples considérations de symétrie entre les fonctions d’ondes des électrodes et de la molécule. Ce résultat ouvre désormais une nouvelle voie pour la conception et l’élaboration de filtres à spins pour l’électronique moléculaire de spin.

 

20 avril 2015
C. Janvier, L. Tosi, L. Bretheau, P. Senat, P.F. Orfila, Ç. Ö. Girit, M. Stern, P. Bertet, P. Joyez, D. Vion, D. Esteve, M. F. Goffman, H. Pothier, C. Urbina, Groupe Quantronique

Localisés dans tout lien faible entre deux éléments supraconducteurs, des états électroniques bien spécifiques, appelés états d’Andreev, sont présents au sein du gap supraconducteur. Ces états sont observés par exemple dans les expériences réalisées avec des contacts à un seul atome entre deux électrodes supraconductrices. Par un dispositif original, où la boucle supraconductrice et son lien faible sont couplés à un résonateur microonde, il est possible d'exciter et suivre les populations dans une superposition de ces états. L'observation des oscillations de Rabi entre l'état fondamental et le premier état excité d'Andreev, ainsi que la mesure du temps de cohérence du système apportent la démonstration que le système constitue un nouveau type de qubit supraconducteur.

 

Les états d’Andreev
Les états d’Andreev apparaissent dans les supraconducteurs inhomogènes : dans un vortex, à proximité d’une impureté magnétique, ou dans un lien faible entre deux supraconducteurs. Dans ces situations, la phase du supraconducteur, propriété macroscopique de la fonction d’onde qui décrit l’état quantique de tous les électrons de conduction, varie alors en fonction de la position. Cette inhomogénéité de la phase conduit à une frustration de la supraconductivité et les électrons au niveau de Fermi gagnent une énergie inférieure au gap supraconducteur Δ lors de la transition supraconductrice. On obtient des états localisés, appelés états d’Andreev. L’excitation d’énergie minimale correspond à une énergie inférieure à 2D,  qui est l’énergie minimale pour casser une paire dans un supraconducteur homogène (1,2). Le cas le plus simple est celui d’un lien faible très court, qu’on obtient dans nos expériences en fabriquant un contact à un atome entre deux électrodes supraconductrices formant une boucle (Fig. 1). La différence de phase entre les supraconducteurs de part et d’autre du contact est contrôlée en  appliquant un flux magnétique dans la boucle. Le nombre maximum d’états d’Andreev dépend uniquement du nombre de canaux de conduction, qu’on arrive à réduire à essentiellement un seul dans un contact à un atome. En excitant avec un photon microonde l’état d’Andreev depuis son état fondamental |g> (ground state), on accède à un autre état localisé |e> (excited state).

07 avril 2015

Pour améliorer le traitement efficace et rapide de l'information au cœur des dispositifs hyperfréquences, la recherche fondamentale fournit de nouvelles pistes à explorer : spintronique, plasmonique, magnonique… autant de termes qui aujourd'hui désignent des méthodes avec lesquelles il peut être possible de stocker, traiter et relire l'information codée dans des états de spin, les oscillations de charges dans un cristal (plasmons) ou encore celles de l'aimantation d'un matériau magnétique (ondes de spin ou "magnons").

Au sein d'une collaboration de chercheurs européens, l'équipe du LNO du SPEC vient de montrer qu'il est possible de moduler le temps de relaxation des ondes de spin dans un matériau ferromagnétique isolant, par un courant continu d'électrons dans un métal adjacent [1]. Pour obtenir ce résultat l'équipe a utilisé un dispositif en couches minces et de dimensions latérales réduites. Ce processus est l'inverse, de celui mis en évidence par des chercheurs japonais en 2010 (production d'une tension électrique continue, induite par la relaxation de magnons à l'interface isolant ferromagnétique / métal) [2].

27 mai 2015

Les vésicules hybrides résultant de la combinaison de lipides et de polymères concentrent depuis quelques années les efforts de chimistes, physiciens et biophysiciens du fait de leurs applications dans le domaine de la vectorisation de médicaments, le ciblage de molécules et le relargage contrôlé de principes actifs. Le grand intérêt de ces vésicules réside dans la combinaison des propriétés de ses deux composés.

Les travaux effectués sur ces systèmes au Laboratoire de Chimie des Polymères Organiques visent à déterminer les conditions chimiques et physico-chimiques d'élaboration de telles vésicules ainsi que leurs propriétés. Parmi plusieurs techniques d'études structurales, une méthode de choix est la diffusion de neutrons aux petits angles (DNPA), pratiquée au Laboratoire Léon Brillouin, qui, combinée au marquage par deutération, permet de déterminer les caractéristiques de ces nano-objets et de montrer le caractère hybride des vésicules.

Les structures observées de vésicules mixtes, composées d'un copolymère (polydimethylsiloxane greffé avec des blocs de polyoxyéthylène (PDMS-g-(PEO)2) et de phospholipide DPPC (1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphocholine), montrent la présence de domaines nanométriques de lipides au sein des membranes, résultant d'une séparation de phase entre les polymères amphiphiles et les lipides. Cette étude précise ainsi les procédés pour obtenir et moduler la structure des membranes structurées, notamment en vue d’applications de ciblage.

14 décembre 2015

Deux équipes du CEA LIDYL et du Laboratoire d'Optique Appliquée (LOA) ont réussi à mettre en évidence pour la première fois l'accélération d'électrons "dans le vide", par un faisceau laser intense. Cette observation montre qu'il est possible de profiter des très fortes amplitudes de champ électrique des impulsions de lumière laser femtoseconde, que l'on sait aujourd'hui produire, pour accélérer des particules à haute énergie sur de faibles distances.

En concentrant la lumière sur des durées femtosecondes (10-15 s), les impulsions laser peuvent atteindre des puissances lumineuses instantanées considérables (~ 1 PW, soit 1015 W) et donc des amplitudes extrêmement élevées du champ électrique associé (~ TéraV/m, soit 1013 V/m). Comme les vagues en haute mer ne peuvent faire avancer les navires, ce champ, par nature oscillant, ne peut accélérer à de très hautes énergies des particules chargées. Mais comme le surfeur qui va chercher la vague et en avançant avec elle peut continûment profiter de sa pente, l'injection d'électrons relativistes (avec une vitesse très proche de celle de la lumière) dans le faisceau laser peut théoriquement permettre l'accélération recherchée, en profitant pleinement des champs électriques gigantesques associés aux impulsions laser ultracourtes.

De nombreuses équipes de par le monde ont essayé de mettre en évidence ce phénomène, sans pouvoir en apporter la preuve définitive. Cette accélération "dans le vide" de particules chargées par un champ laser intense vient d'être expérimentalement démontrée par une collaboration entre une équipe de l’IRAMIS et le Laboratoire d’Optique Appliquée (ENSTA-X-CNRS) à Palaiseau. L'interaction de l'impulsion laser avec une cible solide (miroir plasma) permet d'obtenir l'injection idéale d'électrons qui, surfant sur l'impulsion laser, atteignent des énergies de l'ordre de 10 MeV sur une distance de 80 µm. Cette première ouvre ainsi la perspective d’utiliser des faisceaux laser intenses pour réaliser des accélérateurs compacts d'électrons de très haute énergie.

 

03 octobre 2015

Les plasmons sont des oscillations collectives électroniques qui peuvent être excitées avec des photons le long d'une interface, par exemple entre une surface solide et le vide. L'onde électromagnétique et les charges oscillent à la même fréquence, mais leurs longueurs d'onde sont différentes. Ainsi pour satisfaire les deux relations de dispersion, une interface possédant une structure périodique régulière est nécessaire, telle que par exemple un réseau de diffraction.

Pour l'accélération de particules avec des impulsions lasers de haute intensité, l’excitation de tels plasmons a été envisagée comme un moyen possible d'augmenter le couplage laser-cible[1]. Dans le cadre d’une collaboration internationale, l’équipe PHI du LIDYL et TSM du LSI ont observé pour la toute première fois dans le domaine relativiste (I>1019 W/cm2) que des plasmons résonnants sont capables d’accélérer à des fortes énergies des paquets d'électrons le long de la surface de ces cibles structurées

07 mai 2015

Dans un système hôte-invité, un petit ensemble ‑ l'invité ‑ interagit avec un grand ensemble ‑ l'hôte ‑ qui joue souvent un rôle de thermostat. Suite à l'excitation de l'invité, la relaxation de l'énergie suit diverses voies à déterminer et c'est une question importante qui se rencontre en photophysique, photochimie, photobiologie ou encore en physique de la matière condensée. Les processus associés sont responsables de phénomènes aussi importants et divers que les photo-dommages en biologie, la conversion de l'énergie lumineuse (photosynthèse et cellules photovoltaïques) ou la dégradation de l'information quantique (décohérence) du fait du couplage avec l'environnement.

Le système hôte possédant un très grand nombre de degrés de liberté électroniques et géométriques, aucune approche théorique ne permet de saisir toute la complexité du phénomène de relaxation et de nouvelles méthodes génériques doivent être établies. En physico-chimie l'équipe Dynamique Réactionnelle du LIDyL en collaboration avec le LCPQ de l'IRSAMC, a étudié expérimentalement et modélisé le système hôte-invité bien défini constitué d'un agrégat libre inerte hébergeant un atome ou une molécule. Un tel système présente le grand intérêt de pouvoir être étudié sur toutes les gammes de complexité géométrique et électronique selon que l'on joue avec la taille de l'agrégat hôte ou l'excitation électronique de l'atome hébergé, permettant ainsi de valider l'effort de modélisation.

 

23 mars 2015

Des physiciens du CIMAP, du LPC, de Tokyo Metropolitan University et Argone National Laboratory ont cartographié la probabilité d’interaction, en fonction du paramètre d'impact (échelle sub-nanométrique), entre un ion multichargé et un dimère de gaz rare, paire d'atomes liés par une liaison de Van der Waals. L'étude détaillée de la réaction a permis d’identifier un nouveau processus, responsable de l’émission d’électrons de très faible énergie cinétique et pouvant avoir des implications significatives en radiobiologie.

 

02 septembre 2015

Les nouvelles technologies permettant de stocker ou transmettre de l'information sont en plein essor. Pour poursuivre l'effort de recherche associé, plusieurs pistes sont explorées, en particulier la manipulation de courants polarisés en spin (spintronique) ou encore l'exploitation des états spécifiques électroniques de surface, tels que l'on peut les trouver dans les isolants topologiques, matériaux isolant en volume, mais possédant des états de conduction de surface.

Cependant, maitriser, sans champ magnétique appliqué, la polarisation en spin des états électroniques dans la matière, n'est pas une chose aisée. Une collaboration de physiciens rassemblés autour du projet FemtoARPES, a permis une avancée dans ce domaine : en alliant isolants topologiques (chalcogénures de bismuth) et excitation laser (impulsions femtoseconde), ils montrent qu'il est possible de peupler sélectivement les états électroniques excités de surface et d'obtenir un gaz bidimensionnel d'électrons, où chaque état est parfaitement polarisé en spin, et de relativement longue durée de vie. Au-delà du résultat fondamental, cette observation est un pas supplémentaire vers l'exploitation d'états quantiques polarisés en spin, dans le traitement de l'information.

07 mai 2015

Dans un système hôte-invité, un petit ensemble ‑ l'invité ‑ interagit avec un grand ensemble ‑ l'hôte ‑ qui joue souvent un rôle de thermostat. Suite à l'excitation de l'invité, la relaxation de l'énergie suit diverses voies à déterminer et c'est une question importante qui se rencontre en photophysique, photochimie, photobiologie ou encore en physique de la matière condensée. Les processus associés sont responsables de phénomènes aussi importants et divers que les photo-dommages en biologie, la conversion de l'énergie lumineuse (photosynthèse et cellules photovoltaïques) ou la dégradation de l'information quantique (décohérence) du fait du couplage avec l'environnement.

Le système hôte possédant un très grand nombre de degrés de liberté électroniques et géométriques, aucune approche théorique ne permet de saisir toute la complexité du phénomène de relaxation et de nouvelles méthodes génériques doivent être établies. En physico-chimie l'équipe Dynamique Réactionnelle du LIDyL en collaboration avec le LCPQ de l'IRSAMC, a étudié expérimentalement et modélisé le système hôte-invité bien défini constitué d'un agrégat libre inerte hébergeant un atome ou une molécule. Un tel système présente le grand intérêt de pouvoir être étudié sur toutes les gammes de complexité géométrique et électronique selon que l'on joue avec la taille de l'agrégat hôte ou l'excitation électronique de l'atome hébergé, permettant ainsi de valider l'effort de modélisation.

 

27 septembre 2015

En seulement 20 ans, les batteries d'accumulateurs rechargeables lithium-ion se sont imposées sur le marché de l’électronique portable, en particulier grâce à l'amélioration de leurs performances avec l’usage d’anodes de graphite. Le mécanisme de leur activité électrochimique repose sur l’intercalation du lithium entre les plans de graphène auxquels il transfère ses deux électrons. La capacité maximale d’insertion correspond à la formation du composé LiC6, qui équivaut à une capacité théorique de 372 mAh.g-1, encore considérée comme insuffisante pour une application aux véhicules électriques. La recherche de nouveaux matériaux d’anode reste donc très active. L’insertion conjuguée du Li avec un autre métal électropositif (Ca, Eu, …) au sein du graphite permet de dépasser cette stœchiométrie (ex : Li3.0-3.2Ca2.1-2.3C6).

La présente étude montre tout l'intérêt des méthodes de mesures de concentration offertes par la microsonde nucléaire du NIMBE pour étudier l'élaboration de telles électrodes en phase ternaire.

 

07 septembre 2015

Alors que 98 % des produits chimiques organiques sont issus du raffinage du pétrole et du gaz naturel, l’utilisation de déchets de la biomasse pour la production des plastiques, solvants, peintures… permettrait d’améliorer la contribution de l’industrie chimique au développement durable. Si la lignine contenue dans les parois des cellules de bois représente la source la plus abondante de composés aromatiques renouvelables, seule la production de vanilline exploite actuellement cette ressource pour l’isolement d’un produit aromatique, avec de surcroit un rendement faible de 0.3 %. Cette limitation provient de la nature complexe de la lignine qui est un polymère hétérogène, chimiquement inerte et dont la nature varie avec l’espèce de bois.

En développant une nouvelle stratégie de dépolymérisation, alliant des catalyseurs sans métaux à des réducteurs chimiques, les chimistes du NIMBE ont développé un nouveau procédé permettant de récupérer des composés aromatiques sous une forme pure à partir de 15 espèces de bois différentes. Les rendements, de 0.5 à 2.4 %, dépassent largement ceux de l'état de l’art.

 

27 juin 2015

Les matériaux polymères ont envahi notre quotidien car ils allient un faible coût et une grande facilité de production à des propriétés polyvalentes. Issus essentiellement de la pétrochimie, ces plastiques posent néanmoins la question de la gestion des déchets qu’ils engendrent.

Seule une faible portion de déchets plastiques est actuellement recyclée et les procédés présentent un faible intérêt économique et environnemental, nécessitant de nouvelles solutions qui s’accordent avec l’évolution des législations.

Pour répondre à cette problématique, les chimistes du Laboratoire de Chimie Moléculaire et Catalyse pour l'Énergie (LCMCE) de l'IRAMIS/NIMBE ont récemment développée un procédé de dépolymérisation de matériaux polyéthers, polyesters et polycarbonates, en utilisant des catalyseurs sans métaux fonctionnant à la température ambiante.

 

04 mars 2015

Les batteries assurent le stockage de l’énergie sous forme chimique. Pour les applications nomades (téléphonie), l'automobile (batteries de puissance) ou des installations de réseau électrique, les batteries d'accumulateurs lithium-ion sont aujourd'hui une solution attractive. Mais à l'usage, les phénomènes de vieillissement limitent leur durée de vie, ce qui constitue un inconvénient majeur pour tous les dispositifs autonomes mobiles alimentés par ce moyen. En particulier dans l’industrie automobile, les véhicules hybrides et électriques nécessitent un système de stockage de l’énergie réversible particulièrement performant du fait de la puissance mise en jeu et du grand nombre de cycles de charge-décharge.

La maîtrise de la durée de vie des batteries lithium-ion est ainsi un enjeu important et il est nécessaire de bien comprendre les mécanismes du vieillissement des batteries, afin de proposer les meilleures solutions pour y remédier, et de disposer des bons diagnostics pour améliorer la fiabilité des dispositifs [1]. Or, les études de vieillissement sont généralement longues et particulièrement coûteuses. Une collaboration entre deux équipes du CEA et le Laboratoire de Chimie-Physique, UMR 8000 CNRS Université Paris Sud, vient de montrer, que les outils de la chimie sous rayonnement permettent d'accélérer le vieillissement (en quelques heures, voire quelques minutes, à comparer à des semaines et des mois d'utilisation en conditions normales), tout en permettant de comprendre finement la réactivité des systèmes et de déterminer précisément les mécanismes de réaction impliqués. Ce résultat est publié dans Nature Communication [2].

02 décembre 2015

De par leur principe même, les méthodes de datation au carbone 14 sont normalement réservées pour dater les vestiges de matière vivante qui ont eu des échanges avec l'atmosphère (animaux, végétaux, etc…). Dans les procédés sidérurgiques anciens, la source d'énergie était le charbon de bois, dont le carbone est encore présent en faible quantité au sein des aciers. C'est ce qui permet aujourd'hui une datation au carbone 14 fiable de pièces en alliages ferreux.

Cette méthode élaborée par l'équipe du "Laboratoire Archéomatériaux et Prévision de l'Altération - LAPA" du NIMBE avec le "Laboratoire de Mesure du Carbone 14 - LMC14" du LSCE, et en collaboration avec le Département d'Anthropologie de l'Université de l'Illinois, a permis de dater très précisément des agrafes métalliques issues du temple du Baphuon d'Angkor au Cambodge. Ces données ont permis de revoir la datation du temple (construction initiale et remaniement) et d'identifier le roi bâtisseur (Suryavarman Ier - 1010–1050 CE).

En retour, ce résultat conforte cette méthode d'étude de matériaux métallurgiques anciens, qui au-delà du fer des cathédrales et maintenant des temples d'Angkor, pourra être étendue et contribuer à résoudre de nombreuses autres énigmes archéologiques.

 

10 mars 2015

Comprendre l’interaction de l’eau avec la matière est une question scientifique qui intéresse des domaines aussi divers que les sciences de la terre, la médecine, la préservation du patrimoine, mais aussi l’industrie. Dans le cadre des études sur le stockage des déchets nucléaires vitrifiés en couches géologiques profondes, il est connu depuis une vingtaine d’année que l’interaction de l’eau avec le verre de confinement conduit à la formation d'un gel de corrosion en surface et d’une couche d'interface de très faible épaisseur enrichie en silice. Cette couche est dite passivante, car elle diminue de plusieurs ordre de grandeur la vitesse de dissolution des espèces solubles. Elle pourrait alors devenir une couche protectrice du colis pour des durées géologiques.

L’élucidation des mécanismes à l’échelle atomique qui expliquent cette passivation reste aujourd’hui une question scientifique ouverte. Après une préparation spécifique marquée isotopiquement, des équipes de la DEN et de la DSM ont pu obtenir une couche passivante particulièrement épaisse (> 1µm). Il a alors pu être montré qu’elle ne résultait pas d’une reprécipitation de la silice en solution et qu'elle conduit à la formation de pores sub-nanométrique qui confinent et piègent l’eau, ceci limitant considérablement son pouvoir d’hydrolyse. Favoriser la formation et la stabilité de telles couches offre donc de nouvelles perspectives pour augmenter la durabilité des verres de stockage.

 

09 mars 2015

Le stockage de l'énergie électrique est un des grands challenges de la transition énergétique en cours. Les batteries d'accumulateurs de puissance de type lithium-ion, avec en particulier leurs applications dans le transport, sont l'objet de nombreux efforts de recherche pour en améliorer les performances. Le projet "PILPOIL" [1] a pour objectif d'améliorer ce type d'accumulateur Li-ion en exploitant un effet de confinement nanométrique unidimensionnel (1D) de l'électrolyte (liquide ionique - LI). Cet effet pourrait théoriquement permettre de changer l'ordre de grandeur de la puissance spécifique délivrée par ces dispositifs électrochimiques de stockage d’énergie.

La réduction de dimensionnalité est assurée par le confinement de l’électrolyte au sein d'une membrane de nanotubes de carbone (NTCs) alignés, qui présente à la fois une porosité nanométrique et une anisotropie macroscopique de par l'orientation moyenne des NTCs. L’idée physique qui sous-tend le projet est d'obtenir un gain de conductivité ionique par la conjonction de deux effets :

  1. le confinement extrême des molécules du LI dans les NTC de diamètre 1.5 à 5 nm, qui doit induire des effets de frustration dans l'auto-organisation spontanée observée en volume.
  2. la très faible interaction entre les molécules de l’électrolyte et la paroi intérieure "lisse" des NTC devrait favoriser un phénomène de glissement (i.e. un très faible coefficient de friction à l’interface NTC/électrolyte).

Les premiers résultats obtenus en utilisant des NTC de 4 nm de diamètre, montrent un gain de conductivité d’un facteur 3. Une diminution du diamètre de nanotubes devrait exalter cet effet. Un brevet a été déposé [2] .

 

08 mars 2015

Une nouvelle famille de matériaux supraconducteurs à haute température a été découverte en 2009 avec de nouveaux composés dénommés pnictures [1], à base de fer. L'étude de leur structure et de leurs propriétés, bien distinctes de celle des cuprates, autre grande famille de supraconducteurs, apporte des informations indispensables pour construire une réflexion approfondie sur les origines de la supraconductivité à haute température.

L’effet de désordre cristallin induit par l’irradiation aux électrons de haute énergie sur les propriétés de l’état supraconducteur des pnictures Fe2(As1-xPx)2 s’est révélé être un élément clé pouvant contribuer à identifier le mécanisme de couplage des électrons en paires de Cooper, à l'origine de leur supraconductivité. Les expériences menées par une équipe internationale sur la plateforme SIRIUS du LSI, montrent en effet une évolution inédite de la structure du gap supraconducteur : la suppression de "nœuds" du gap semi-conducteur, suivie de l’apparition d'états localisés [2]. Cette observation est un argument fort en faveur d'un couplage impliquant les fluctuations magnétiques de spin, et de la nature multibande de la supraconductivité des pnictures à base de fer.

02 octobre 2015

Pour relever le défi de l’accès à une énergie propre et durable il faut mener des efforts de recherche technologique mais aussi poser – ou réexaminer – des questions fondamentales sur la conversion d'énergie, toujours accompagnée de dissipation et d’une production d’entropie. A l’échelle atomique, les fluctuations quantiques pourraient causer un phénomène de friction – et donc de dissipation – lors de la collision de deux atomes neutres.  C’est ce que viennent de montrer deux chercheurs de l’IRAMIS/SPEC et de l’IRFU/SAP dans un article publié dans Physical Review Letters. Leurs travaux théoriques pourraient s’avérer déterminants quant à la compréhension du concept d’irréversibilité en physique.

 

04 septembre 2015

Les comportements d'imitation constituent la clé de voute de très nombreux phénomènes collectifs observés dans les groupes animaux. Pour comprendre le rôle de ces comportements et leurs conséquences à l’échelle d’un groupe, des chercheurs du CNRS, du CEA, des Universités d’Aberdeen, de Nice et de Toulouse ont analysé les déplacements collectifs de troupeaux de moutons en pâturage. Ces derniers alternent des phases de dispersion lentes avec des phases de regroupement très rapides au cours desquelles les moutons imitent le comportement de leurs voisins. Ces travaux, publiés dans PNAS, montrent que ces regroupements sont similaires à des phénomènes d’avalanches intermittentes sans échelle caractéristique d’amplitude. Ils montrent également que l’intensité avec laquelle les moutons s’imitent joue un rôle clé dans la capacité d’un troupeau à maximiser la surface de pâturage explorée tout en minimisant le temps nécessaire pour se regrouper.

20 février 2015

La turbulence dans un fluide est un phénomène familier, qui se caractérise par la présence de tourbillons de toutes tailles et un comportement désordonné et imprédictible. Losrqu’on augmente le nombre de Reynolds (Re), grandeur sans dimension donnée par le rapport entre forces d'inertie et forces visqueuses, on distingue différents régimes d'écoulement, depuis l'écoulement laminaire, puis chaotique jusqu'à l'état pleinement turbulent, dans lequel on observe une cascade d’énergie des grandes échelles d’injection à l’échelle de dissipation (cascade de Kolmogorov).

De nouvelles expériences modèles d'études de la turbulence, réalisées par l'équipe SPHYNX de l'IRAMIS/SPEC, ont permis de mettre en évidence de façon inattendue un comportement chaotique dans le régime de turbulence développée (i.e. à très grand nombre de Reynolds),. Ce résultat inattendu, conduit à nous interroger sur l'origine des situations d'intermittence que l'on observe en météorologie, dans les océans ou les turbines industrielles.

 

 

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