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Univ. Paris-Saclay

Faits marquants 2009

24 octobre 2009
O.Bezencenet, A.Barbier, D.Bonamy, R.Belkhou (SOLEIL), P.Ohresser (SOLEIL)

Avec l'avènement de l'électronique de spin (spintronique), il est devenu particulièrement important de visualiser et de comprendre la manière dont se forment les domaines magnétiques dans les structures magnétiques. Ceci est plus particulièrement délicat pour les couches antiferromagnétiques, qui ne présentent aucune aimantation macroscopique et n'interagissent par conséquent que faiblement avec des sondes.

Ces couches antiferromagnétiques constituent un élément essentiel dans les hétérostructures magnétiques où elles sont appelées à piéger l'aimantation de couches voisines via le phénomène de couplage d'échange magnétique. Ce type de structure est la base de fonctionnement des capteurs magnétiques modernes (capteurs à magnéto-résistance géante, vannes de spin et jonctions tunnel) et sera très probablement intégré dans les mémoires magnétiques non volatiles du futur tout comme dans les structures multiferroïques. Les parois de domaines magnétiques conditionnent le niveau de bruit électronique dans les dispositifs. Il est donc particulièrement important de les maitriser.

30 septembre 2009
F. Mallet, F. Ong, A. Palacios, F. Nguyen, P. Bertet, Denis Vion and D. Esteve

 

Après la réalisation d'un des tous premiers qubits (état quantique qui représente la plus petite unité de stockage d'information quantique) en 2002, les chercheurs du groupe quantronique de l'IRAMIS-SPEC ont franchi un nouveau pas vers  la réalisation d'un processeur quantique simple : la lecture fiable et non destructive d'un qubit.
07 septembre 2009
D. Dulić, P. Lavie, S. Campidelli, A. Filoramo, collaboration : F. Pump et G. Cuniberti (Université de Dresde)

(french version English version)

 

Des chercheurs du Laboratoire d'Electronique Moléculaire (IRAMIS/SPEC) ont récemment publié un article intitulé "Controlled Stability of Molecular Junctions" dans la prestigieuse revue internationale Angewandte Chemie. Ce travail réalisé en collaboration avec le groupe du Prof. Gianaurelio Cuniberti de l'Université de Dresde porte sur l'influence des interfaces de contacts sur le transport à travers des molécules uniques grâce à la technique dite de jonction à cassure.
09 juin 2009

(french version English version)

On pensait bien connaitre la physique des transistors, et en particulier celle de ceux qui peuplent par millions le cœur de nos ordinateurs, les MOSFETs au Silicium (Metal Oxyde Semi-conducteur Field Effect Transistor). Or, dès 1994 une nouvelle génération de MOSFETs à très haute mobilité a permis de réaliser des expériences où la densité électronique était extrêmement basse (Kravchenko et al 1994). Les expériences menées dans ces « transistors extrêmes » ont montré un comportement tout à fait spectaculaire : à basse température ils se comportent comme des métaux au lieu de l’isolant attendu. (Au lieu de diverger, la résistivité décroit d’un ordre de grandeur dans une fenêtre de température assez étroite).

Pas de métaux  à 2 dimensions.

Pour comprendre l’émoi que ces résultats expérimentaux ont suscité dans la communauté, il faut remonter au célèbre article sur la localisation  pour lequel P.W. Anderson a obtenu son prix Nobel en 1977 (voir article : Anderson 1958). Anderson y étudie l’effet d’un faible désordre dans les métaux et conclut qu’à très basse température (i.e. pour un système  quantiquement cohérent) les interférences multiples générées par ce désordre provoquaient une localisation des fonctions d’onde du métal, le rendant ainsi isolant. L’effet est particulièrement fort à une et deux dimensions (comme dans nos MOSFETs) où il était prédit qu’un petit désordre, même arbitrairement faible, suffisait à rendre le système isolant. Pendant deux décennies, la communauté a vérifié à la fois expérimentalement et théoriquement ce paradigme : pas de métaux à deux dimensions. En particulier le SPEC, à travers notamment les travaux de M. Sanquer et de J-L Pichard, a fortement contribué à l’étude de la localisation.

Le suspect idéal, les corrélations électroniques.  Les expériences de Kravchenko, reproduites ensuite dans divers groupes expérimentaux (au SPEC également, dans le groupe de D. L’Hôte) ont ainsi été à l’origine d’une petite révolution dans la communauté du transport quantique. Les modèles et mécanismes affluèrent de toutes parts pour tenter de résoudre le fâcheux différent entre la théorie et les mesures expérimentales qui persistaient à montrer un comportement métallique. Les uns cherchaient des artefacts expérimentaux tandis que les autres proposaient des modèles plus ou moins farfelus ou ad hoc. Sur un seul point un consensus émergeait : à très basse densité, les corrélations électron-électron introduites par la répulsion Coulombienne prennent une importance considérable. Or ces corrélations résistent à la plupart des approches théoriques.

Localisation et Corrélations.

Dans le cadre de la thèse de Geneviève Fleury, nous avons développé une approche numérique, alliant Monte-Carlo quantique pour traiter le problème quantique à N corps et théorie d’échelle pour extraire la limite thermodynamique. Cette approche nous a permis, pour la première fois, d’étudier le problème couplé de la localisation d’Anderson en présence de corrélations fortes. Le diagramme de phase obtenu  (voir figure) montre bien la « phase »métallique dans la région expérimentale où elle a été observée, et ce, ab initio (i.e. sans paramètre ajustable). Le scénario qui se dégage de nos calculs est en demi-teinte : d’un coté les corrélations sont bien à l’origine des observations expérimentales – une physique nouvelle émerge des corrélations. De l’autre le système reste un isolant au sens thermodynamique du terme. Autrement dit,  nous prédisons qu’à plus basse température la résistivité doit diverger en accord avec le paradigme d’Anderson.

16 mars 2009
J. Charlier, A. Ghorbal, F. Grisotto, S. Palacin

Le développement et la réalisation de dispositifs en micro- et bio-électronique nécessite souvent de déposer des couches de substances organiques sur des surfaces conductrices ou semi-conductrices. Pour ceci l'accroche chimique (ou greffage) est très efficace. La miniaturisation souhaitée des composants demande de pouvoir réaliser aujourd'hui ce greffage de façon très localisée, à l'échelle du micron, voire sub-micronique.

Pour lier de façon localisée une molécule à une surface, on expose usuellement la surface macroscopique d'un substrat à de très faibles quantités de solution. La localisation peut aussi être assistée par un faisceau lumineux ou une chimie spécialisée. La plupart de ces techniques requièrent de nombreuses étapes de transformation et leur mise en œuvre est souvent fastidieuse et onéreuse. Dans ce contexte, nous montrons qu'il est possible par une démarche originale d'effectuer un greffage local en une seule étape, ne nécessitant aucune technique de masquage et à base de technologies légères de faible coût.

Nous avons montré récemment [1-4] qu'il était déjà possible de décorer, localement et en une seule étape, par un film organique (électro-greffage de monomères vinyliques), la surface d'un échantillon composite présentant des zones de conductivité différente (Au/Si, Si/Si dopé). La sélectivité spatiale du dépôt est obtenue dans ce cas en jouant simplement sur le potentiel imposé, qui permet de promouvoir le transfert électronique (et donc le greffage du polymère) vers l'une des surfaces à l'exclusion de l'autre. Le motif prédéfini est ainsi parfaitement respecté, avec une résolution latérale uniquement limitée par l'épaisseur du film (de quelques nm à quelques centaines de nm).

04 décembre 2009

Des chercheurs du Laboratoire de chimie et biologie des métaux (CEA-CNRS-Université J. Fourier, au CEA de Grenoble), du Laboratoire de chimie des surfaces et interfaces (CEA de Saclay) ainsi qu'une équipe du Laboratoire d'innovation pour les technologies des énergies nouvelles et les nanomatériaux (CEA de Grenoble) ont combiné nanosciences et chimie bio-inspirée pour élaborer, pour la 1ère fois, un matériau capable de catalyser sans platine aussi bien la production d'hydrogène que son utilisation dans les piles à combustible .

Ce résultat, majeur dans la perspective d'une économie de l'hydrogène, plus compétitive, fait l'objet d'une publication dans la revue Science.

22 septembre 2009
D. Kopetzki, Y. Michina, T. Gustavsson, D. Carrière

Les molécules amphiphiles présentent une tête hydrophile et une chaîne hydrophobe. Sous certaines conditions, elles peuvent s'auto-organiser sous forme de vésicules sphériques creuses emprisonnant un cœur aqueux dans une bicouche de tensioactif, le diamètre de l'ensemble variant de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs microns. En choisissant soigneusement les conditions de croissance, les chercheurs du SIS2M montrent que l'on peut synthétiser des vésicules extrêmement robustes avec des propriétés d'encapsulation originales.

Ces systèmes sont largement étudiés pour de nombreuses problématiques fondamentales (mécanisme d'auto-assemblage, propriétés physiques de la membrane, etc...) dont la compréhension peut ouvrir de nouvelles perspectives (libération contrôlée de principes actifs, nano-réacteurs chimiques, conversion d'énergie, etc...). Usuellement, ces vésicules (dans ce cas aussi appelées "liposomes") sont formées à partir de phospholipides, constituants des membranes cellulaires. Il serait avantageux de les remplacer par des molécules aux propriétés semblables mais avec des fonctions chimiques plus facilement modifiables ou disponibles, telles que les vésicules formées à partir d'acides gras. Si l'on sait effectivement former de telles vésicules d'acides gras dans des conditions précises de température et de pH, il faut cependant trouver le moyen de les stabiliser : elles sont en effet très sensibles aux conditions externes et se détruisent aisément pour donner des micelles ou des cristaux.

16 mars 2009
J. Charlier, A. Ghorbal, F. Grisotto, S. Palacin

Le développement et la réalisation de dispositifs en micro- et bio-électronique nécessite souvent de déposer des couches de substances organiques sur des surfaces conductrices ou semi-conductrices. Pour ceci l'accroche chimique (ou greffage) est très efficace. La miniaturisation souhaitée des composants demande de pouvoir réaliser aujourd'hui ce greffage de façon très localisée, à l'échelle du micron, voire sub-micronique.

Pour lier de façon localisée une molécule à une surface, on expose usuellement la surface macroscopique d'un substrat à de très faibles quantités de solution. La localisation peut aussi être assistée par un faisceau lumineux ou une chimie spécialisée. La plupart de ces techniques requièrent de nombreuses étapes de transformation et leur mise en œuvre est souvent fastidieuse et onéreuse. Dans ce contexte, nous montrons qu'il est possible par une démarche originale d'effectuer un greffage local en une seule étape, ne nécessitant aucune technique de masquage et à base de technologies légères de faible coût.

Nous avons montré récemment [1-4] qu'il était déjà possible de décorer, localement et en une seule étape, par un film organique (électro-greffage de monomères vinyliques), la surface d'un échantillon composite présentant des zones de conductivité différente (Au/Si, Si/Si dopé). La sélectivité spatiale du dépôt est obtenue dans ce cas en jouant simplement sur le potentiel imposé, qui permet de promouvoir le transfert électronique (et donc le greffage du polymère) vers l'une des surfaces à l'exclusion de l'autre. Le motif prédéfini est ainsi parfaitement respecté, avec une résolution latérale uniquement limitée par l'épaisseur du film (de quelques nm à quelques centaines de nm).

06 juillet 2009
Contact CEA : Hamed Merdji

Pour obtenir une image d'un objet, il suffit usuellement de l'éclairer et d'enregistrer la lumière diffusée qui parvient à un détecteur. Si l'image est formée à l'aide d'un objectif, l'optique utilisée impose de nombreuses limitations (résolution, aberrations...). Pour atteindre les résolutions ultimes : spatialement (fonction de la longueur d'onde du rayonnement utilisée) et temporellement (fonction de la durée du "flash"), une technique possible, sans optique, est la diffraction cohérente. En utilisant un faisceau cohérent comme celui d'un laser, on observe en effet une modulation du signal liée aux interférences, permettant de reconstruire numériquement l'image exacte de l'objet avec une précision inégalée. Pour atteindre des résolutions nanométriques voire atomique, on cherche donc à éclairer et enregistrer l'image avec un faisceau de rayons X cohérent (rayonnement laser de longueur d'onde nanométrique). Le faible éclairement moyen demande usuellement de longues accumulations sur plusieurs tirs lasers. Des progrès récents ont permis d'obtenir des images avec un seul tir femtoseconde (10-15 s) issu d'un laser de laboratoire, ouvrant la voie à des études résolues en temps.

Pour des arrangements réguliers d'objets élémentaires, la diffraction de Bragg dans le domaine X est une technique très puissante de caractérisation de la matière à l'échelle atomique. Elle constitue le principal outil de la cristallographie. L'information contenue dans la diffraction de Bragg est riche : si a est la taille caractéristique de l'objet élémentaire, alors les pics de Bragg sont distants de 1/a dans l'espace réciproque. Une partie de l'information est cependant perdue : en effet, la fréquence maximale à laquelle on peut échantillonner la figure de diffraction est inférieure à la fréquence de Nyquist (2a). En particulier, si l'objet élémentaire a une amplitude et une phase, la diffraction de Bragg ne permettra pas de déterminer la phase.

19 décembre 2009
F .Onufrieva , P. Pfeuty, Laboratoire Léon Brillouin

L’appariement supraconducteur et les anomalies électroniques induites par le mode collectif de spin dans les cuprates supraconducteurs à haute Tc

Découverte en 1986, la supraconductivité à haute température critique reste aujourd'hui une des grandes énigmes de la physique du solide et des matériaux. Plusieurs modèles théoriques s'affrontent, régulièrement confrontés aux résultats expérimentaux. Parmi les théories possibles, celles faisant intervenir le magnétisme dans le couplage des électrons pour former les paires supraconductrices sont aujourd'hui souvent retenues (au lieu du couplage entre électrons et phonons pour les supraconducteurs conventionnels relevant de la théorie BCS - J. Bardeen, L. Cooper et R. Schrieffer). En particulier, les excitations magnétiques sous la forme d'ondes de fluctuations de spin, observées expérimentalement dans certains supraconducteurs (cuprates supraconducteurs à haute Tc : YBa2Cu3O6+x, mais aussi les nouveaux supraconducteurs non conventionnels à base de fer et d'arsenic, Tc~40 K), pourraient être retenues, comme le montre la théorie développé ci-dessous.

 

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