CEA-Saclay - LLB - Bât 563 p15 (Grande Salle) CEA-Saclay

Altermagnetism refers to the recent discovery of spin-split band structures that are anisotropic in momentum space in certain collinear compensated magnets. They have attracted much attention especially among people working on spintronics as they have the potential to provide a robust platform for antiferromagnetic spintronics. In this talk I will explain how altermagnetism arises as a direct consequence of symmetry and describe the order parameters and certain experimentally accessible features. 

Formation Annuelle à la Neutronique (FAN) à l'ILL à Grenoble, 25-27 Juin 2024

Les FANs sont une formation pratique, organisée par la 2FDN en collaboration avec l’ILL destinée à l’usage des chercheurs désireux de s’initier ou de se familiariser aux techniques expérimentales utilisées en diffusion des neutrons par la matière condensée. La formation débutera par une introduction générale à la neutronique. Elle sera suivie de cours théoriques dans la discipline choisie puis d’une journée et demi de formation pratique : travaux pratiques et analyses de données. Deux parcours sont proposés : matière dure et magnétisme d’une part, matière molle et biologie d’autre part. Une liste de travaux pratiques sera proposée sur les techniques suivantes : diffraction sur poudre et sur monocristal, diffusion des neutrons aux petits angles (DNPA), diffusion inélastique des neutrons sur spectromètres à temps de vol (TdV) et trois-axes (TAS). Les participants seront répartis dans les différents groupes en fonction de leurs choix prioritaires et des places disponibles.

Informations pratiques, inscription et programme : https://2fdn.cnrs.fr/formation/formation-annuelle-a-la-neutronique-2024/ 

Dates importantes :

• Clôture des inscriptions : 15 mai 2024
• Notification de l’acceptation ou non des demandes de participation : 30 Mai 2024
• Début des FANs : Mardi 25 juin 8h00 à l’ILL à Grenoble
• Fin des FANs : jeudi 27 juin à 12h30 (déjeuner sur place possible)

Séminaire en ligne

16 mai,13-14h

Matériaux et Batterie 

Orateur : Virginie Viallet, LRCS, Amiens
 

Orateur : Philippe MOREAU, IMN, Nantes

Modérateur : Sylvie Lartigue

Sujet: Webinaire-Matériaux

Heure: 16 mai 2024 12:30 PM Paris

Rejoindre Zoom Réunion

https://u-paris.zoom.us/j/84016399114?pwd=SmtCYkRtY1RnQ1YvRE5iTmw3Vzhvdz09

ID de réunion: 840 1639 9114

Code secret: 303556

Lien vers la 2FDN
Lien vers la SFN

Bombannes

16^th Bombannes Summer School on "Scattering Methods Applied to Soft Condensed Matter".
This event will be held from 4^th to 11^th of June 2024 at the vacation centre "Les Bruyères" in Bombannes/Carcans-Maubuisson, Gironde, France. Further information on the school together with on-line pre-registration can be found on our website under

Please note that due to high overload, pre-registration on the above website before 23^rd of February 2024 is mandatory. Decisions on participation will be announced in April 2024. Final registration for selected students will take place in spring 2024.
In case you have questions, please email me or bombannes@ill.fr . 

On behalf of the Organizing Committee,
Julian Oberdisse?
(with P. Lindner, O. Glatter, J.S. Pedersen, R. Zorn, G. Fragneto, and S. Egelhaaf;

_______________________________________________________________
Julian Oberdisse
Directeur de recherche au CNRS
Equipe Matière Molle - Soft Matter Group
Laboratoire Charles Coulomb UMR 5221 CNRS-UM cc 26                     
Université de Montpellier   
F-34095 Montpellier Cedex 05? France
Julian.Oberdisse@umontpellier.fr
Tel: (33) 4 67 14 35 23
___________________________________________________________ 

Campus de Thiais

Une étude menée par une équipe du LSI (UMR CEA-CNRS), en collaboration avec France Ciment, porte sur la recherche de nouveaux composés de substitution pour le ciment Portland, pouvant permettre de réduire l'émission de CO2 lors de son élaboration. Cette émission est aujourd'hui principalement liée à la formation du clinker par calcination du calcaire à haute température (~ 1450 °c) et aussi fonction du mode de chauffage utilisé. Pour ceci un ensemble de matériaux vitro-cristallins pouvant être utilisés comme composants de substitution est caractérisé, avec comme objectif d’identifier les meilleurs composés susceptibles de préserver de bonnes performances en termes de résistance mécanique et durabilité du matériau.  

Le béton est le matériau de construction le plus utilisé dans le monde, avec une consommation annuelle estimée à 10 milliards de tonnes. Ces besoins requièrent une forte production de ciment Portland, à l’origine d’environ 6-8 % des émissions de CO2. La fabrication du constituant actif du ciment, nommé le clinker, passe par une étape de décarbonatation du calcaire CaCO3, quand ce dernier est dissocié en chaux (CaO) et en CO2, puis par une étape de cuisson à plus haute température. Ces deux étapes sont respectivement responsables de 2/3 et 1/3 des émissions de CO2. Une solution qui demeure à ce jour la plus efficace pour réduire ces émissions consiste à remplacer partiellement le clinker par des composés de substitution. L’objectif dans l'industrie du ciment d'ici à 2050 est de réduire drastiquement les émissions de CO2, les cimentiers français s’étant par exemple engagés à réduire de 50 % ces émissions par rapport au chiffre de 2015. L’industrie cimentière propose déjà des ciments composés avec une plus faible proportion de clinker et une fraction de plus en plus importante de matériaux vitreux ou vitro-cristallins finement broyés. Jusqu'à présent, les composés de substitution réactifs les plus utilisés sont des sous-produits industriels tels que le laitier de haut fourneau (liquide silicaté trempé résultant de la fusion des composés non métalliques des minerais), les cendres volantes (issues de la combustion du charbon) ou la fumée de silice. On utilise également des matériaux naturels comme des pouzzolanes. La fermeture progressive des hauts fourneaux et des centrales à charbon conduit à une diminution des réserves des laitiers et de cendres volantes. Ceci impose d’explorer de nouveaux candidats, comme, par exemple, le verre recyclé.

Dans une étude menée au Laboratoire des Solides Irradiés (LSI, CEA / CNRS / Ecole Polytechnique) en collaboration avec l’Industrie Cimentière (France Ciment), l'équipe a testé systématiquement une grande quantité de ces matériaux de substitution déjà utilisés ou candidats à l’être, en se focalisant sur la phase vitreuse. Le but est de pouvoir à l’avenir sélectionner des matériaux potentiels a priori, à partir de critères simples de composition chimique et de structure. Une caractéristique importante de ces composés est leur réactivité chimique puisqu’ils doivent remplacer le principe actif du ciment. Un des critères de réactivité des structures vitreuses est leur degré de polymérisation : plus la structure est dépolymérisée, plus elle sera réactive. À partir d’une sélection d’échantillons représentatifs, l'étude réalisée propose des premières abaques (voir figure) permettant de prédire le degré de polymérisation de la structure vitreuse à partir de 3 méthodes analytiques accessibles en laboratoire : fluorescence X, diffraction des rayons X et spectroscopie Raman. Plus précisément, le résultat montre que la position du halo de diffusion mesurée par diffraction X, le déplacement Raman de la bande Si-O des structures vitreuses, et le degré de polymérisation sont dans la plupart des cas fortement corrélés. On note également que la position de ce halo de diffusion est également fonction du rapport CaO/(SiO2+Al2O3), déterminé par fluorescence X.

Figure (gauche) : Position angulaire du halo de diffusion mesurée en diffraction des rayons X en fonction du déplacement Raman (cercles : bande d’élongation Si-O) et du degré de polymérisation pondéré (triangles : Qn) pour une série de composés de substitution et un verre de silice de référence ("SiO2 glass"). A droite : Position du halo de diffusion mesurée en diffraction des rayons X en fonction du rapport CaO/(SiO2+Al2O3) déterminé par fluorescence X (carrés : composition chimique du composé de substitution, cercles : composition chimique de la structure vitreuse du composé de substitution). [S1-S3 : laitiers de hauts fourneaux, Ca FA : cendre volante calcique, Si FA : cendres volantes siliceuses, P1-P3 : pouzzolanes naturelles, Ob : obsidienne, Di : diatomite, SF : fumées de silice, Si Rec Gl : verre recyclé, composante vitreuse siliceuse, Ca Rec Gl : verre recyclé, composante vitreuse calcique]. Figure © M. de Noirfontaine - LSI. Selon ces abaques, le simple recours à l’une des trois techniques de laboratoire permet ainsi d’avoir rapidement une indication du degré de polymérisation, critère retenu pour évaluer la réactivité chimique du composé. Cette étude montre en particulier que le verre recyclé a la spécificité de présenter deux types de structure vitreuse, l’une calcique très dépolymérisée à hauteur de 20 % et l’autre siliceuse peu dépolymérisée à hauteur de 80 %. Ce résultat constitue ainsi un premier pas vers la prédiction de sa réactivité, dotn il faudra finaliser l’étude. Ces travaux sont publiés dans Cement and Concrete Research.

Référence : The glassy structure of reactive Supplementary Cementitious Materials (SCMs) and recycled glass: Contribution of XRD and Raman spectroscopy to their characterization, Théodore Serbource, Mireille Courtial, Marie-Noëlle de Noirfontaine, Sandrine Tusseau-Nenez, Christophe Sandt, Laurent Izoret, Cement and Concrete Research 179 (2024) 107468. - Voir également l'actualité CNRS-Physique.   Contact LSI (UMR CEA-CNRS) : Marie-Noëlle de Noirfontaine (LSI/D2SM). Collaboration : LSI France-Ciment

Au-delà de la formation des petites molécules qui constituent notre environnement naturel, l'espace interstellaire est aussi la source de molécules plus complexes. Cette chimie du milieu interstellaire nécessite la présence de molécules "briques élémentaires" et un apport d'énergie, principalement par le rayonnement cosmique composé de lumière, de particules de haute énergie et d'ions massifs. Si le flux d'ions est faible dans le milieu interstellaire, les collisions avec ces ions présentent de très grandes sections efficaces de réaction. Les composés du fer sont des éléments indispensables au métabolisme de la majorité des êtres vivants, et il est fondamental de comprendre leur origine et toute la chimie qui leur est associée. Si le ferrocène n'a encore été détecté dans l'espace, le cation Fe+ (métal le plus abondant dans l'espace) et les cycles cyclopentadiényles C5H5- ont été détectés. Afin d'explorer plus largement les réactions chimiques possibles dans ce milieu très dilué, il est important de connaitre l'ensemble des voies de fragmentation du ferrocène sous l'impact d'ions. L'étude expérimentale réalisée par l'équipe AMA du CIMAP, complétée par l'effort de modélisation de théoriciens de l'Université de Madrid, montre que la collision d'ions multichargés induit une simple ou double ionisation par échange de charge, suivie d'une riche dynamique de fragmentation avec une grande diversité de fragments obtenus. Une de ces voies révèle de façon inattendue une fragmentation retardée qui a pu être expliquée par la population d´un état électronique excité spécifique. Reste à établir le lien possible entre cet ensemble de données fondamentales et les observations spatiales, objectif majeur de l'astrochimie actuelle.

Cations et anions, ions positifs et négatifs, et molécules neutres forment naturellement des regroupements chimiques. La chimie organométallique s'intéresse plus particulièrement à l'environnement de cations de métaux de transition (électrons de valence d ou f) qui, avec les ligands associés (anions, molécule neutre, autre cation), forment des "complexes de coordination". Le ferrocène Fe(C5H5)2, formé d'un cation central de Fe2+ lié de façon covalente à 2 cycles pentadiényles, est le prototype des complexes organométalliques, et plus spécifiquement des composés métallocènes. Il présente une structure sandwich stable typique avec l'atome de Fe entre les deux cycles C5H5. Dans la molécule de ferrocène, l'atome de fer, possède une configuration électronique de 18 électrons, et présente l'état d'oxydation +2. Les deux cycles cyclopentadiényle qui l'entourent satisfont la règle de Huckel pour les composés aromatiques, avec la formation de liaisons entre l'ion Fe2+ et deux cycles C5H5-. Le composé est remarquablement stable, et ces liaisons sont rarement rompues dans des conditions de réaction normales. D'un point de vue fondamental, le ferrocène présentent deux intérêts : c'est un  système modèle des molécules organiques contenant du fer d'intérêt biologique, c'est également une molécule prototypique pour l'étude des processus multi-électroniques fondamentaux dans les systèmes quantiques complexes.   Du point de vue des applications, les métallocènes, et les dérivés du ferrocène en particulier, jouent un rôle important en chimie de synthèse, en nanomédecine et en science des matériaux : les composés organométalliques contenant du ferrocène peuvent, par exemple, améliorer l'efficacité de conversion dans les cellules photovoltaïques organiques.

En ce qui concerne l'astrochimie, la molécule ou ion ferrocène n'ont pas encore été détecté dans l'espace (car peu d’observations sont réalisées dans cette gamme spectrale), et même si l'on a pu montrer que plusieurs autres organométalliques sont bien présents dans le milieu interstellaire, les nuages cosmiques et les météorites. En revanche, le cation fer Fe+ (métal le plus abondant dans l'espace) et les cycles cyclopentadiényle C5H5- ont été détectés et l'on suspecte la présence de composés aromatiques au fer. Les signatures de la présence de ferrocène ou d'espèces apparentées sont ainsi maintenant recherchées.   Vue d'artiste de l'impact d'un ion Xe20+ sur une cible de ferrocène en milieu dilué.   La présente étude menée par l'équipe AMA du CIMAP en collaboration avec des chercheurs de l'université de Madrid [1], a permis de déterminer la dynamique de dissociation des cations ferrocène induite par collisions avec des ions. Le mécanisme réactif repose sur le transfert initial de charge et d'énergie lors de l'interaction, suivi de la fragmentation du composé ionisé. L'étude combine théorie et expérience en utilisant la spectrométrie de masse en coïncidence associé à un dispositif expérimental sur une des lignes de l’infrastructure ARIBE du GANIL produisant des faisceaux d'ions multichargés de basse énergie : Xe20+  à 300 keV, pour cette étude), et des calculs de chimie quantique réalisés par le Groupe UAM en Espagne. Sous l'impact des ions, l'échange de charge produit transitoirement du ferrocène simplement et doublement chargé. L'analyse des coïncidences entre les fragments formés, notamment FeC5Hx+ et C10H10+, est très riche d'enseignement sur les détails de la dynamique de fragmentation qu'il a été également possible de modéliser. L'étude montre que des chemins de fragmentation impliquent un état excité à longue durée de vie conduisant à la métastabilité du dication et à une dynamique de fragmentation spécifique.

Ces résultats fournissent ainsi un panorama très complet des réactions de fragmentation suite à un impact ionique, telles qu'elles peuvent se produire en milieu très dilué, comme dans l'espace. Reste à explorer le lien possible entre ces données fondamentales et les observations spatiales.   Référence : [1] "Unexpected and delayed fragmentation dynamics of the organometallic ferrocene induced by ion-collision" F. Aguilar-Galindo, V.T.T. Nguyen, R. Singh, A. Domaracka, B.A. Huber, S. D ́ıaz-Tendero, P. Rousseau and S. Maclot, Phys. Chem. Chem. Phys., 26, 7638, 2024.   Contact CEA-IRAMIS : Sylvain Maclot (CIMAP/AMA) Collaboration : V.T.T. Nguyen, R. Singh, A. Domaracka, B.A. Huber, P. Rousseau & S. Maclot Normandie Univ., ENSICAEN, UNICAEN, CEA, CNRS, CIMAP, Caen, France F. Aguilar-Galindo & S. Díaz-Tendero Department of Chemistry, Universidad Autónoma de Madrid, Madrid, Spain

  Le monoxyde de carbone (CO) est un composant essentiel de l’industrie pétrochimique, permettant de former des monomères, briques de base pour la production de polymères et plastiques. Dans le cadre d’un programme de recherche autour de l’utilisation de CO comme intermédiaire réactif issu de ressources renouvelables (dont le CO2), l'équipe du NIMBE/LCMCE a élaboré de nouveaux systèmes catalytiques permettant : de limiter l’usage des métaux, en les substituant en partie par des co-catalyseurs à base de fluorophosphoniums (R3PF+), de concevoir une nouvelle synthèse d’anhydride succinique C4H4O3, un monomère, à partir d’acide acrylique CH2=CHCOOH et de monoxyde de carbone. Ces travaux ont fait l’objet de deux publications et de deux demandes de brevets.

La production industrielle de polymères et plastiques représente environ 90% de la production de composés pour la chimie et elle est essentiellement pétro-sourcée. Brique de base de cette industrie pétrochimique, le monoxyde de carbone (CO) est utilisé pour introduire des fonctions oxygénées dans des squelettes hydrocarbures issus de ressources pétrolières (comme la conversion d’alcènes en aldéhydes ou alcools). Ce CO est lui-même généralement issu de ressources fossiles, telles que le gaz naturel ou le charbon. L'équipe du NIMBE/LCMCE a lancé en 2019 un programme de recherche visant à utiliser des sources de carbone renouvelables pour la production de CO (notamment à partir de CO2), et à développer de nouvelles transformations et catalyseurs pour assurer une utilisation efficace du CO, en particulier pour la production de monomères pouvant servir à la production de plusieurs gammes de plastiques, tels que les polyesters ou les polyuréthanes. Pour ce faire, de nouvelles générations de catalyseurs pour la carbonylation* de lactones et d’époxydes ont été élaborées. L'objectif est d’améliorer ces réactions, développées au début des années 2000 essentiellement en Amérique du Nord, et qui devront être industrialisées. De nouvelles réactions catalytiques, telle que la carbonylation* de l’acide acrylique (CH2=CHCOOH) en anhydride succinique C4H4O3 (un autre monomère), ont également été mises au point.

Selon l’axe de recherche visant à améliorer les catalyseurs de carbonylation* d’époxydes (comportant un oxygène ponté sur 2 carbones) et lactones (fonction ester dans un cycle), un défi est de développer des catalyseurs robustes et sélectifs, en limitant le recours à des métaux. Tandis que l’état de l’art est constitué de catalyseurs bimétalliques, associant généralement du cobalt et un autre complexe métallique comme l’aluminium ou le chrome, le travail réalisé au NIMBE/LCMCE montre pour la première fois que des cations fluorophosphoniums (R3PF+) peuvent servir de co-catalyseur pour le cobalt [1]. La propriété recherchée pour ces cations est de se comporter comme des acides de Lewis, capables d’activer les substrats sans piéger d’intermédiaires catalytiques. La chimie de synthèse des fluorophosphoniums permet de moduler à façon cette propriété, à travers l’utilisation de groupes fonctionnels variés sur l’atome de phosphore. Au-delà de cette réaction de carbonylation, cette contribution est une preuve de concept, que des fluorophosphoniums, qui jusqu’à présent n’étaient décrits que pour des transformations catalytiques simples où ils servaient d’uniques catalyseurs, peuvent servir de co-catalyseur dans des transformations catalysées par des sels métalliques.   Figure 1. Carbonylation de lactone catalysée par un complexe de cobalt, assisté d’un fluorophosphonium   Selon l’axe de recherche de nouvelles réactions catalytiques permettant l'insertion de CO, une synthèse d’anhydride succinique C4H4O3 par carbonylation* de l’acide acrylique (CH2=CHCOOH) a été développée, pour la première fois [2]. L’anhydride succinique est actuellement pétrosourcé et sert à la production de différents polymères, comme des polyesters. Cette nouvelle transformation catalytique est une voie d’accès rapide à ce monomère, à partir d’acide acrylique et de CO, qui peuvent être facilement biosourcés. Elle a fait l’objet d’une demande de brevet [3], et l’article correspondant a fait l’objet de la couverture de la revue ChemCatChem en 2023.   Figure 2: Carbonylation d'acide acrylique en anhydride succinique   Ces travaux ont été permis par des soutiens expérimentaux forts, à la fois de la part de l’atelier de mécanique du NIMBE pour la réalisation de réacteurs sous pression, mais aussi d’un accompagnement des équipes de sécurité pour le travail avec des gaz toxiques (CO) sous pression.

Pour aller au-delà de ces résultats, l’équipe du NIMBE/LCMCE est engagée dans plusieurs voies : l’optimisation et la simplification des systèmes catalytiques. Deux brevets ont été déposés pour ces réactions de carbonylations sans ligands ni cocatalyseurs. le couplage de la production de CO par électroréduction du CO2, avec la carbonylation thermocatalytique. Cette approche sera étudiée à partir de 2024, dans le cadre du projet EURATOM PARCOVAL, avec les équipes du CEA-LITEN. la possibilité de remplacer l’acide acrylique par d’autres acides carboxyliques insaturés, notamment les acides gras issus des triglycérides. Ces molécules permettraient d’accéder à des monomères à longues chaines grasses pour des applications en chimie des polymères. * carbonylation : réaction chimique d'introduction de monoxyde de carbone (CO) dans un composé organique ou inorganique. Références : [1]. M.-H. Pietraru, L. Ponsard, N. Lentz, P. Thuéry, E. Nicolas, T. Cantat, Fluorophosphoniums as Lewis acids in organometallic catalysis: application to the carbonylation of β-lactones, Chem. Commun. 2024, 60, 1043-1046 [2]. M.-H. Pietraru, N. Lentz, L. Ponsard, E. Nicolas, T. Cantat, Catalytic carbonylation of acrylic acid to succinic anhydride, ChemCatChem 2023, e202300720. [3] M.-H. Pietraru, L. Ponsard, N. Lentz, E. Nicolas, T. Cantat, Procédé de préparation d’anhydride cyclique à partir d’un acide carboxylique insaturé, FR2111996, 2021.   Contacts CEA-IRAMIS : Thibault Cantat et Emmanuel Nicolas (NIMBE/LCMCE).

Les "derechos" sont des orgages violents avec un front d'avancée s'étendant sur plus de 100 km en longueur et des vents en rafales dépassant généralement les 100 km/h . Ils se déplacent rapidement en ligne droite sur une distance à l'échelle d'un continent, d'où leur appellation empruntée à l'espagnol signifiant "tout droit". Plus fréquents aux États-Unis (de l'ordre d'une quinzaine d'événements annuels), leur occurence augmente en Europe avec la transition cimatique comme le montre l'étude statistique menée par une collaboraiton de chercheurs du SPEC/SPHYNX et du LSCE.  

Un événement récent a mis en lumière la menace bien réelle que les évènements "derecho" peuvent aujourd'hui présenter pour les européens : dans la nuit du 17 au 18 août 2022, une ligne de grains orageux s'est formée près des îles Baléares, se déplaçant rapidement vers le nord-est et touchant la Corse, l'Italie, la Slovénie, l'Autriche, puis la République tchèque en seulement 12 heures. Les rafales de vent atteignant jusqu'à 225 km/h en Corse ont entraîné la mort de 12 personnes et blessé 106 autres, et causé d'importants dégâts matériels. Une étude récente, réalisée par une équipe rassemblant des chercheurs du SPEC/SPHYNX et du LSCE, a identifié et analysé pour la première fois l'occurrence des derechos en France, en particulier pendant la "saison chaude" de mai à septembre. Entre 2000 et 2022, 38 événements de ce type ont pu être recensés, avec une fréquence moyenne de 1.7 événements par an, soit de l'ordre de 5 événements tous les 3 ans. Ces orages touchent presque tout le territoire français, mais leur fréquence est plus élevée dans le nord-est et l'est du pays, avec des évènements qui concernent aussi souvent la Suisse, le Benelux et l’Allemagne. Cette étude contribue ainsi à mieux caractériser le risque associé à ces événements météorologiques extrêmes en France et en Europe.  

Trajectoire (à gauche) et occurence (à droite) des 38 évènements "derecho"  identifiés, qui se sont produits entre 2000 et 2022. (© Davide Faranda, LSCE - IPSL)

De plus, l'étude explore la relation entre les derechos et le changement climatique. Les conditions atmosphériques, telles que l'instabilité de l'atmosphère et le cisaillement vertical des vents, sont examinées pour évaluer le potentiel des situations météorologiques à produire des orages intenses. Les résultats montrent une augmentation nette de l'instabilité atmosphérique dans la période récente. Ce mécanisme, qui induit une intensification potentielle des orages, est relié à : l’augmentation de la chaleur et de l'humidité dans les basses couches de l'atmosphère, qui résulte des émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique et qui peut également être influencée par la variabilité naturelle du climat, liée à l'oscillation atlantique multidécennale (OAM, cycle de 20 à 50 ans de la température de surface de l'Atlantique Nord). un changement dans la configuration des vents, principalement dû à la variabilité naturelle du climat.   Référence : Analysing 23 years of warm-season derechos in France: a climatology and investigation of synoptic and environmental changes, Fery, L. and Faranda, D., Weather Clim. Dynam. 5 (2024) 439–461. Voir l'actualité du CNRS - Terre et Univers : "Première estimation de la fréquence des derechos, un type d’orages violents, en France "Voir également l'article d'Audrey Garric du Journal Le Monde : "Climat : les « derechos », des méga-orages avançant tout droit, risquent de frapper plus intensément la France". Contacts : Lucas Fery (SPEC/SPHYNX et LSCE - IPSL) Davide Faranda (LSCE - IPSL) Bérangère Dubrulle (SPEC/SPHYNX)

Explorer la matière nécessite des faisceaux sondes de lumière (photons lasers, rayons X…), de neutrons, d'électrons, voire d'atomes, de molécules ou d'ions. Chaque type de faisceau interagit de façon très spécifique avec la matière : les rayons X sont fortement diffusés par les éléments lourds, tandis que les neutrons présentent le grand avantage d'être fortement diffusés par les éléments légers et sensibles au magnétisme. Les faisceaux de neutrons sont ainsi devenus un outil analytique important des scientifiques dans les domaines aussi divers que la physique et la chimie de la matière condensée, la science des matériaux et de la matière molle, les sciences de la vie ou encore la géoscience. Ils sont aussi utilisés comme sonde dans de nombreux domaines industriels, l’identification de matériaux, la radiographie, la validation de résistance aux rayonnements, la qualification d’assemblages métallurgiques…  

Les techniques de diffusion neutronique permettent de sonder à des échelles extrêmement larges, de taille, jusqu’à des dimensions sub-atomiques, et d’énergies, jusqu’au nano electron-volt (voir Figure).   Les larges échelles de taille et de temps couvertes par les études par des faisceaux de neutrons.   Cependant, les sources de neutrons sont peu lumineuses. Lorsque des flux importants de neutrons sont nécessaires, il faut actuellement recourir à des infrastructures de grandes tailles tels que des réacteurs de recherche ou des sources à spallation. Ces installations produisent de très grandes quantités de neutrons (jusqu’à 1018 neutrons par seconde) dont seule une fraction infinitésimale est effectivement utilisée pour générer les faisceaux utiles. Cela est lié au fait que les neutrons sont produits au sein du combustible ou de la cible dans des volumes importants et émis dans des directions aléatoires.

Depuis quelques années, plusieurs instituts dont l’IRAMIS, modélisent les performances ultimes d’une source de neutrons dont on pourrait réduire la taille à un volume de l’ordre de 1 litre (partie cible + modérateur). Ce volume est à comparer à un volume typique de l’ordre du mètre cube dans un réacteur de recherche. La réduction du volume source permettrait de largement augmenter la brillance des sources de neutrons. Les modélisations numériques de ces sources compactes pointent vers des performances potentielles équivalentes à celle d’un réacteur de recherche ou d’une source à spallation de puissance moyenne. Ces travaux permettent d’envisager la construction d’une 3ème génération de sources de neutrons (après les réacteurs de recherche dans les années 1950 et les sources à spallation dans les années 1970), que l'on dénomme "HiCANS", pour "High-Current Accelerator – driven Neutrons Sources". Ces sources utiliseraient les développements récents dans le domaine des accélérateurs de protons à basse énergie (quelques dizaines de MeV) qui peuvent maintenant opérer à des courants de protons de l’ordre de 100 m. Par diffusion sur une cible, ces protons sont partiellement convertis en neutrons, qui sont ensuite modérés en énergie (i.e. leur longueur d'onde) selon l'expérience souhaitée. A ces avancées s'ajoutent d'autres développements sur la meilleure compréhension des phénomènes de modération des neutrons et les nouvelles techniques d’instrumentation neutronique qui maximisent l’utilisation des neutrons.

Exemple d’une installation de diffusion neutronique de type HiCANS. La surface de l’installation est inférieure à celle d’un terrain de football avec un accélérateur d’une longueur de 20 à 30 mètres.   Ces sources ne visent pas à obtenir des performances ultimes mais à construire des sources "accessibles" à l’échelle d’un pays, et qui ne recourent ni à la construction de réacteurs nucléaires coûteux, ni à la construction d’accélérateurs à haute énergie. Cette proposition technologique a conduit à des réflexions dans différentes instances [1]. La DRF a engagé un programme de R&D sur le sujet depuis plusieurs années, en particulier autour de la plate-forme PHI-Neutrons [2].  Ces travaux ont conduit à la rédaction d’un livre blanc sur la proposition de construction d’une nouvelle source de diffusion neutronique française, ICONE, qui utiliserait la technologie des HiCANS [3]. Le CEA et le CNRS ont lancé cette année la rédaction d’un Avant-Projet Détaillé autour de ce projet. Cette installation aurait pour vocation de servir la communauté française des utilisateurs des techniques neutroniques, forte d’un millier de chercheurs environ répartis sur plus de 300 laboratoires français.

Références : [1] Low-energy accelerator-driven neutrons sources (LENS Report, 2020) ; Compact Accelerator-based Neutron Sources (IAEA TECDOC 1981, 2021) [2] Les développements instrumentaux peuvent être suivis sur "ICONE : an accelerator-driven neutron source" et "The IPHI-Neutron platform". [3] ICONE, une nouvelle source de diffusion neutronique française (2023) Contact CEA-IRAMIS : Frédéric OTT (LLB/INFRA) Ce travail est réalisé en collaboration avec l’IRFU (contact Jérôme Schwindling IRFU/DACM) et le Forschungs Zentrum Jülich (Contact : Paul Zakalek, FZJ, Jülich Center for Neutron Scattering).

La Diffusion de Neutrons aux Petits-Angles - DNPA est une technique qui permet d'explorer la structure et la dynamique d'objets peu organisés (non cristallisés), tels ceux que l'on désigne par "Matière molle". Elle permet ainsi l’étude de structures "mésoscopiques" que l’on retrouve dans un grand nombre de thèmes de recherche en matière molle et condensée, biophysique et science des matériaux. La compréhension simultanée des configurations spatiales et des propriétés dynamiques de ces objets est souvent requise pour comprendre, et affiner, les fonctionnalités des matériaux étudiés. C'est avec ces objectifs que le LLB, en étroite collaboration avec l'Institut Laue Langevin de Grenoble, a installé auprès du guide H15 de l'ILL, le diffractomètre "SAM-Small-Angle Modular Instrument", qui permettra de réaliser des études sur une large gamme de paramètres expérimentaux en taille ≈ 0.1 – 100 nm et en durée ≈ 0.1 ps – 10 ns. De plus une variété d’environnements sont également proposés : basses températures, champs magnétiques intenses, hautes pressions, cellules stop-flow, etc... Après quatre années de conception et d'installation, le spectromètre a reçu ses premiers neutrons et est entré en phase de test début mars 2024, avec une ouverture aux expériences prévue en Juin 2024.  

"SAM" est un instrument de diffusion des neutrons aux petits angles (DNPA) de taille intermédiaire, développé par le Laboratoire Léon Brillouin (LLB) en collaboration avec l’Institut Laue Langevin (ILL, Grenoble). Sa construction a été proposée dans le cadre du programme de jouvence "Endurance I" de l’ILL, avec deux objectifs principaux : Maintien d’un accès à la DNPA pour la communauté française au-delà de l’arrêt du réacteur Orphée, Développement d’un instrument multifonctions étendant les capacités de la DNPA, en particulier vers la spectroscopie à haute résolution.   Quelques champs de recherche couverts par le spectromètre petits angles "SAM".   SAM dispose d'un collimateur sténopé (géométrie "pin-hole") permettant de travailler avec un faisceau de neutrons non-polarisé ou polarisé. Grâce à sa position à l’une des extrémités du guide H15 entièrement rénové, le flux neutronique sur l’échantillon sera très similaire à celui disponible sur les instruments de classe mondiale D22 et D33 déjà en service à l’ILL. SAM sera aussi doté d’une option "MIEZE - Modulation of IntEnsity with Zero Effort" permettant de réaliser des mesures spectroscopiques avec des résolutions en énergie meilleures que le μeV, et ceci indépendamment de l’échantillon ou de son environnement.

Système de guides – SAM sera situé à l’extrémité de la branche dédiée H15-1b (section courbe de 32 m suivie d’une section droite de 4 m) du nouveau guide H15 (section de 40 x 30 mm). La longueur d’onde moyenne sera définie par un sélecteur de vitesse hélicoïdal (3.5 ≤ λ ≤ 20 Å, Δλ/λ = 10 %) et l’intensité du faisceau monochromatique sera évaluée par une chambre à fission à l’235U de faible épaisseur (efficacité ≈ 10-6). En aval, une enceinte sous vide reliée au collimateur contient un passeur linéaire permettant d’insérer dans le faisceau soit une cavité polarisante en "W" (lames FeSi, m = 4) de 1.37 m, soit un élément de guide non polarisant (m = 1). Cette enceinte est suivie d’un collimateur de 9 m de long, qui permet de garantir l’alignement des guides de neutrons malgré de légères modifications de la géométrie de l’enceinte lors des changements de sa pression interne.   Vue globale de l’instrument SAM, placé à l'extrémité du guide H15 à l'Institut Laue Langevin. La première enceinte permet de disposer un polariseur / modulateur d'intensité du faisceau de neutrons. Elle est suivie d'un collimateur qui précède le porte échantillon, suivi du détecteur "petits angles". Environnement-échantillon – SAM dispose d’une table pouvant supporter des éléments massifs (jusqu’à 800 kg) et dotée de 6 mouvements indépendants (translations et rotations autour des 3 directions). Son équipement dédié inclut un passeur d’échantillon thermostaté à 24 positions et un cryo-aimant à champ horizontal de 10 T. Enceinte de détection – SAM dispose d’un détecteur bidimensionnel à 3He (ILL MAM128) présentant une surface active de 64 x 64 cm2 (128 x 128 pixels). Ce détecteur est installé dans l’enceinte détecteur entièrement rénovée de l’ex-instrument PAXY (LLB). Ses dimensions permettent d’accéder à des distances échantillon-détecteur de ≈ 1 à 7 m. L’enceinte en elle-même est attachée à la table échantillon et pourra être inclinée par rapport à l’axe optique de l’instrument pour augmenter la gamme de Q accessible. Option "MIEZE" – L'instrument est équipé d'une option MIEZE, permet de sonder la dynamique nucléaire ou magnétique avec une haute résolution en énergie (< μeV) ou de réaliser des mesures stroboscopiques sur une échelle de temps allant de la μs à la s. Pour ceci une paire de polariseurs RF permet de moduler la polarisation du faisceau incident, et un analyseur traduit ces modulations en variations d'intensité, pouvant atteindre quelques MHz. Cette technique Comparativement au NSE - Neutron Spin Echo, "MIEZE" n’est pas sensible à la dépolarisation du faisceau par l’échantillon ou son environnement [3]. Cela ouvre donc de nouvelles perspectives en spectroscopie neutronique, en particulier dans le domaine du magnétisme [4]. MIEZE fonctionne de façon optimale dans le régime des petits angles, ce qui en fait donc une option très intéressante pour SAM [5]. Ouverture du faisceau et premiers neutrons sur SAM @ ILL, le 4 mars 2024.

Après une phase d'installation et de montage qui a duré 2 ans, le guide H15 a injecté ses premiers neutrons dans l'instrument en mars 2024. L'ouverture de l'instrument à la communauté est prévue en Juin 2024. Il sera exploité comme un instrument de type "CRG- Collaborating Research Group", avec une répartition à 50-50 % du temps de faisceau entre le programme des utilisateurs de l’ILL et ceux de la communauté française [1], géré par la Fédération Française de Diffusion Neutronique (2FDN).   Références : C. Dewhurst et al., J. Appl. Cryst. 49, 125110 (2016) R. Gähler et al., Neutron resonance spin echo-a new tool for high resolution spectroscopy, Physica B 180 & 181 (1992) 899-902 J. Kindervater et al., EPJ Web of Conferences 83 (2015) 03008 C. Franz et al., J. Phys. Soc. Japan 88, 081002 (2019) N. Martin, Nucl. Inst. Meth. In Phys. Res. A 882 (2018) 11-16 https://cordis.europa.eu/project/id/654124 Voir l'actualité ILL : "SAM est opérationnel".

Équipe-projet LLB : Annie Brûlet (Coordinatrice du projet) Marc Detrez, Christophe Meunier (Mécanique) Patrick Lambert, Emmanuel Rampnoux (Electronique) Pascal Lavie (Chef de projet technique) Nicolas Martin (Chef de projet scientifique) Maycki Thiébault, Anne-Laure Remot (CAO)   Équipe-projet ILL : Lester Clarke et Luc Didier (CAO), avec le soutien de l’équipe-projet H15 et des services techniques.

Face à la nécessaire transition énergétique pour éviter l'émission massive de CO2 liée à l'usage des produits pétroliers, la filière hydrogène-énergie verte est souvent mise en avant. Par ailleurs, les besoins de la chimie nécessitent aussi une source d'hydrogène non issue de produits carbonés fossiles. Une voie de production de cet hydrogène est la dissociation photocatalytique de l’eau qui utilise le rayonnement solaire associé à un photocatalyseur. L'étude de l'équipe LEDNA du NIMBE en collaboration avec l'ICPEES, montre que les surfaces de nano-diamants oxydés produits par détonation permettent d'obtenir un bon rendement photo-catalytique,de production de H2 équivalent à celui obtenu avec des nanoparticules de TiO2, qui constitue une référence dans ce domaine.  

Une étude réalisée par l'équipe LEDNA du NIMBE, associée au Laboratoire ICPEES, révèle pour la première fois que des nanodiamants (taille ~ 5 nm) synthétisés par détonation, puis oxydés en surface, peuvent sous illumination solaire produire de l'hydrogène, par dissociation photocatalytique de l’eau [1]. Cette production s’effectue sans ajout d’un co-catalyseur, ni formation d'une hétérojonction avec un autre semi-conducteur. Les rendements obtenus sont comparables à ceux des photocatalyseurs nanométriques de référence du domaine, notamment les nanoparticules de TiO2. Les nanoparticules de diamant possèdent des atouts pour la photocatalyse liés à leur structure électronique : à leurs propriétés semi-conductrices, héritées du diamant massif, s'ajoute la possibilité d’ajuster leur structure de bande, c’est-à-dire la position énergétique des bandes de conduction et de valence, en modifiant la nature des terminaisons de surface (hydrogénées ou oxydées) [2]. Par exemple, lorsque la surface est terminée par des liaisons carbone-hydrogène, la position en énergie de la bande de conduction se situe au-dessus de celle du niveau du vide. Les nanoparticules de diamant hydrogénées constituent alors des sources solides pouvant fournir des électrons solvatés,  réducteurs très puissants qui peuvent être utilisés sous illumination UV pour la réduction du CO2 en CO [3] ou la dégradation photocatalytique de composés perfluorés [4].

Fig. 1 : Processus d’émission d’électrons solvatés par des nanodiamants hydrogénés [5]. Des états intermédiaires dans le gap, dus aux défauts de surface, permettent l'absorption de lumière visible, et l'hydrogénation de la surface place la bande de conduction au-dessus du niveau du vide.   En jouant sur la nature des nanoparticules de diamant et sur l’introduction de défauts dans leur réseau cristallin ou à leur surface, il est également possible d’augmenter l’absorption lumineuse dans le domaine du spectre visible, comme le montre l'étude récente réalisée en absorption transitoire utilisant des nanodiamants hydrogénés synthétisés au NIMBE [5]. Cette absorption est attribuée à des états énergétiques intermédiaires localisés entre la bande de valence et la bande de conduction du nanodiamant liés à du carbone en hybridation sp2, présent notamment sous forme de reconstructions de type fullerènes en surface (Figure 1). Ayant ainsi démontré la photo-activité des nanodiamants, la recherche s'est poursuivie en développant la synthèse de nanodiamants dans le but de produire des carburants solaires par photocatalyse, notamment de l’hydrogène à partir de l’eau. Les propriétés de différents types de nanodiamants, ont été explorées selon leur nature : cristallinité, taille, forme, chimie de surface.

Ainsi, l'émission d’hydrogène n’est pas détectée sous illumination solaire pour des nanodiamants hydrogénés ou pour d’autres natures de nanodiamants, tels que ceux obtenus par broyage du diamant massif. Elle se révèle spécifique aux nanodiamants de détonation oxydés. Un rendement maximum de production d’hydrogène de 32 μmol/h a pu être atteint pour une concentration de nanodiamants oxydés de 12,5 μg/mL. Ce rendement est similaire à celui obtenu avec des nanoparticules de TiO2, pour la même concentration de nanoparticules et dans les mêmes conditions d'illumination (Figure 2).   Fig. 2 : Production d’hydrogène en fonction du temps pour des nanodiamants oxydés (carrés rouges) (TEOA : 1 vol.%) comparée à celle de nanoparticules de TiO2 (triangles verts) et de TEOA seul (cercles bleus). Une quantité similaire de 10 mg de nanodiamants oxydés ou de nanoparticules de TiO2, soit une concentration de12.5 µg mL-1 , ont été respectivement utilisés.   Ce résultat ouvre des perspectives prometteuses concernant l’utilisation du nanodiamant pour la production de carburants solaires. La prochaine étape consiste à l’associer à d’autres matériaux semiconducteurs pour générer des hétérostructures ou à des co-catalyseurs métalliques, afin d’amplifier les performances photocatalytiques observées.

Références : [1] "Oxidized detonation nanodiamonds act as an efficient metal-free photocatalyst to produce hydrogen by water splitting under solar irradiation" C. Marchal, L. Saoudi, H. A. Girard, V. Keller and J. C. Arnault, Adv. Energy Sustainability Research 2300260 (2023) 1-8.   Voir aussi : [2] " Absolute energy levels in nanodiamonds of different origins and surface chemistries", D. Miliaieva, A. S. Djoumessi, J. Cermak, K. Kolarova, M. Schaal, F. Otto, E. Shagieva, O. Romanyuk, J. Pangrac, J. Kulicek, V. Nadazdy, S. Stehlik, A. Kromka, H. Hoppe, B. Rezek, Nanoscale Advances 5 (2023) 4402. [3] "Selective Photoelectrochemical Reduction of Aqueous CO2 to CO by Solvated Electrons", L. Zhang, D. Zhu, G. M. Nathanson, R. J. Hamers, Angew. Chem. Int. Ed. 53 (2014) 9746. [4] "Degradation of perfluorooctanesulfonate (PFOS) by sub-bandgap irradiation of hydrogen-terminated nanodiamond", W. A. Maza, V. M. Breslin, T. I. Feygelson, P. A. DeSario, B. B. Pate, J. C. Owrutsky, A. Epshteyn,  Applied Catalysis B: Environmental 325 (2023) 122306. [5] " Early dynamics of the emission of solvated electrons from nanodiamonds in water", F. Buchner, T. Kirschbaum, A. Venerosy, H. Girard, J. C. Arnault, B. Kiendle, A. Krueger, K. Larsson, A. Bande, T. Petit, C. Merschjann,  Nanoscale 14 (2022) 17188.   Contact CEA-IRAMIS : Jean-Charles Arnault et Hugues Girard (NIMBE/LEDNA) Collaboration :   C. Marchal et V. Keller, Laboratoire ICPEES, UMR  7515, 25 Rue Becquerel, 67087 Schiltigheim, France.

L'IRM (basée sur la Résonance Magnétique Nucléaire - RMN)* est une méthode d'analyse et d'imagerie bien connue pour son utilisation en médecine pour le diagnostic clinique. La technique est également très utilisée en chimie, biologie ou encore pour l'étude des matériaux. Une nouvelle méthode, récemment développée et basée sur l'IRM, permet d'explorer l'aimantation locale de surface d'un objet. Applicable à l'étude de processus électrochimiques, la méthode peut ainsi permettre d'améliorer les dispositifs de stockage d'électricité des équipements nomades. Cette technique originale, mise au point sur la plateforme RMN du NIMBE au CEA-Saclay, utilise un spectromètre RMN à grande ouverture (Brücker Avance - Super-Wide-Bore NMR instrument NEO, 7T), des techniques avancées d'IRM et des capteurs RF ultra-sensibles fabriqués sur mesure. Ce nouveau procédé d'analyse a pu être mis en œuvre avec succès pour l'étude operando de batteries. Elle révèle en particulier une série de phénomènes électrochimiques fondamentaux, associés au transport des ions lithium dans les matériaux d’électrode positive de cellules Li-ion commerciales de type "pouch".

Parmi les nombreuses méthodes d'IRM, une technique d'imagerie de surface a été adaptée avec succès par K. Romanenko pour une analyse rapide de batteries d'appareil portables [1-7]. Dans ces systèmes de type Li-ion, l'intercalation inhomogène des ions lithium dans les électrodes de la batterie introduit des inhomogénéités magnétiques locales qui peuvent être révélées par l'IRM. Pour obtenir ce type image IRM, un capteur a été spécifiquement conçu : il est constitué d'une fine couche de polymère riche en protons entourée d'un ruban de cuivre enroulé servant de bobine pour l'excitation RMN. Après une première mesure "à blanc", l'ensemble est placé au contact de l'objet à étudier (voir Figure). Les variations de fréquence de résonance des protons étant fonction du champ magnétique local, la cartographie IRM différentielle révèle les inhomogénéités de susceptibilité magnétique au sein de la batterie étudiée.   À gauche: La méthode d'imagerie utilise un aimant polarisant 7 T (B0) à très large ouverture, permettant d'insérer le dispositif de mesure (voir texte). Au centre : a) Le capteur IRM à balayage de surface est composé de fines bandes de cuivre (épaisseur ~ 60 μm ), entourant une couche de polymère d'épaisseur ~1 mm et riche en protons. b) Les variations locales de susceptibilité magnétique au sein de la batterie , fonction de la concentration en Li, induisent un champ inhomogène (selon B0) au sein du polymère, mesurable par RMN du proton. À droite : au cours de la charge ou de la décharge, la concentration en Li devient inhomogène au sein de l'électrode, puis s'homogénéise par diffusion. Le Li migre depuis la phase 03-R1 vers la phase O3-R2 de LixCoO2.   Une étude récente des électrodes positives LTMO, (L= Li, TM= métal de transition, ici LiCoO2) des cellules de type "pouch", utilisées comme batteries Li-ion de téléphone mobile, illustre la méthode [7]. L'imagerie permet ainsi la surveillance non destructive des processus cinétiques au sein de ces dispositifs électrochimiques avec des résolutions spatiales et temporelles élevées. Pour ce système, les fluctuations spatiales et temporelles de susceptibilité magnétique qui peuvent être détectées, sont associées à la lithiation** non uniforme de l’électrode solide positive, induisant une diffusion du Li+ et des transitions de phase chimiques, révèlées par leur signature magnétique. Un autre résultat remarquable de la technique est la capacité de suivre la densité locale de courant électrique, via la cartographie des niveaux de lithiation de l’électrode positive. De plus, elle permet de suivre en temps réel l’homogénéisation de la lithiation qui est un processus lent se déroulant sur plusieurs heures.   Image IRM à balayage de surface pour un champ polarisant de 3T d'une cellule "pouch - iPhone-5S" en cours de décharge (états de charge de 50 à 0%). L'imagerie révèle les variations de susceptibilité magnétique au sein de l'électrode, liées aux variations locales de concentration en Li.

L'IRM à balayage de surface doit également permettre d'explorer les propriétés magnétiques d'autres types d'électrodes positives, telles que LiNixMnyCozO2 (NMC), LiFePO4 et LiMn2O4, qui peuvent présenter d'autres réactions d'intercalation. Le couplage entre les propriétés électrochimiques et magnétiques locales de ces diverses électrodes ouvre une large gamme d'applications, telles que des études de conduction ionique à l'état solide pouvant permettre de mettre l'accent sur les effets liés au type et à la concentration de l'intercalant, ainsi que sur les effets de la température. En perspective, ces résultats pourraient également être pertinents pour la conception de cellules plus performantes, pour lesquelles on pourrait ajuster localement le niveau de lithiation à travers l’électrode. Une autre voie de développement pourrait-être le contrôle en ligne de dispositifs commerciaux.

* La méthode IRM-RMN : L'IRM est une méthode d'analyse et d'imagerie bien connue pour ses applications médicales basée sur la RMN. La technique est basée sur l'excitation résonante de transitions induites par radiofréquence entre les niveaux d'énergie nucléaire (effet Zeeman), séparés en énergie par un champ magnétique intense. Des gradients spatiaux transitoires de champ magnétique induisent un déplacement en fréquence des résonances, ce qui permet de localiser l'information et de construire l'image. L'IRM est largement utilisée en médecine dans le diagnostic clinique, et pour la recherche en chimie, biologie ou encore pour l'étude des matériaux. **Lithiation : réaction chimique où des atomes de lithium sont insérés dans un matériau.

Références : [1] Operando magnetic resonance imaging reveals phase transitions driven by nonuniform cathode lithiation in Li-ion pouch cells, Konstantin Romanenko*, Nikolai Avdievich, Alan Wong, Magali Gauthier, Remith Pongilat, and Alexej Jerschow, Chem. Mater.  35 (22) (2023) 9789. Autres références : [2] “Distortion-free inside-out imaging for rapid diagnostics of rechargeable Li-ion cells” K. Romanenko, A. Jerschow, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 116 (38) (2019) 18783–18789. [3] “Accurate visualization of operating commercial batteries using specialized magnetic resonance imaging with magnetic field sensing” k. Romanenko,  P. W. Kuchel, A. Jerschow, Chem. Mater. 32 (2020) 2107–2113. [4] “Observation of memory effects associated with degradation of rechargeable lithium-ion cells using ultrafast surface-scan magnetic resonance imaging” K. Romanenko, A. Jerschow, J. Mater. Chem. A 9 (2021) 21078–21084. [5] “Numerical modeling of Surface-Scan MRI experiments for improved diagnostics of commercial battery cells” K. Romanenko, A. Jerschow, J. Magn. Reson. Open 10–11 (2022) 100061. [6] “Surface-Scan MRI diagnostics of Li-ion cells: Boosting the sensitivity with high performance flat RF Sensors” K. Romanenko, N. Avdievich, J. Phys. Chem. C 127 (2023) 85−91. [7] "Unilateral RF sensors based on parallel-plate architecture for improved Surface-Scan MRI analysis of commercial pouch cells", K. Romanenko, N. Avdievich, Journal of Magnetic Resonance Open 18 (2024) 100141. Contact CEA-IRAMIS : Konstantin  Romanenko  (NIMBE/LSDRM) Collaboration : Université Paris-Saclay, UMR NIMBE CEA-CNRS Max-Planck Institute for Biological Cybernetics, Tübingen, 72076, Germany Department of Chemistry, New York University, New York, New York 10003, United States.

Une collaboration de chercheurs autour du groupe Nanoélectronique du SPEC franchit une étape importante en contrôlant pour la première fois une superposition quantique de qubits volants électroniques. Un qubit volant est un bit quantique (ou qubit) non localisé, pouvant être manipulé pendant sa propagation. Si le développement de qubits volants porté par des photons a déjà été réalisé, le contrôle complet d'un qubit volant porté par une onde électronique dans un solide restait à démontrer. Dans ce travail novateur, il est montré qu'il est possible de contrôler la superposition quantique d'impulsions électroniques individuelles (ou lévitons), se propageant dans un interféromètre formé par une jonction p-n en graphène. Cette réalisation marque une avancée importante vers la génération à la demande de paires quantiques intriquées, exigence requise pour connecter des ordinateurs quantiques distants.

Le principe d'un qubit porté par un substrat solide, tels qu'un qubit supraconducteur ou un point quantique semi-conducteur, repose sur un système fixe et localisé à deux niveaux. À l'opposé, les qubits "volants" portés par un courant électronique (i.e. une onde électronique) qui se propage, offrent l'avantage de pouvoir être générés à la demande et de pouvoir être manipulés pendant leur propagation. Le support matériel contient simplement une architecture extensible de portes logiques. L'une des techniques les plus étudiées consiste à manipuler les états électroniques d'un semi-conducteur d'arséniure de gallium (GaAs) à haute mobilité au moyen d'un interféromètre électronique de type Mach-Zehnder. La réalisation de l'interféromètre nécessite un séparateur de faisceaux d'électrons, des canaux de conduction unidimensionnels à faible dissipation et une source d'électron unique, que l'on sait développer. Les interférences obtenues sont cependant trop sensibles à la chaleur, aux fluctuations de tension électrique et d'énergie des électrons injectés, pour permettre la réalisation d'un qubit volant à électrons dans cette configuration.

Le défi a pu être relevé en construisant un interféromètre de Mach-Zehnder électronique basé sur une jonction p-n en graphène et couplé à une source d'électrons uniques dénommée "lévitons*". L'échantillon de graphène est simplement déposé de façon bien contrôlée sur un substrat isolant. L'application d'un champ magnétique externe au système induit la formation de canaux de conduction unidimensionnels de part et d'autre de la jonction p-n (voir figure). Les points d'entrée et de sortie au niveau de la jonction p-n sont ainsi clairement définis et agissent comme des séparateurs de faisceau d'électrons, formant un interféromètre de Mach-Zehnder. Comparé aux interféromètres conventionnels à base de GaAs, l'interféromètre réalisé présente une tolérance dix fois supérieure au bruit thermique ou de tension [1,2]. *Un léviton est l'injection d'un unique électron sous la forme d'une impulsion lorentzienne, évitant toute excitation parasite des autres électrons du système.   Qubit volant à base de jonction p-n. Les lignes bleues (côté n) et rouges (côté p) soulignent les canaux de conduction en bord du substrat de graphène. Il est montré que la superposition quantique des états de léviton, au niveau du canal de conduction entre les côtés n (bleu clair) et p (rose) est parfaitement contrôlée.

Avec ce dispositif, le fonctionnement d'un qubit volant d'électrons a pu être obtenu en manipulant la superposition d'états quantiques |0> et |1> d'un léviton, respectivement définis par les états électroniques dans le canal de conduction sur les côtés n et p. Il est notamment montré que l'angle polaire (θ), pour lequel tan(θ) est le rapport d'amplitude entre les deux états superposés |1> et |0>, peut être contrôlé en ajustant la transmission du séparateur de faisceau à l'entrée de la jonction p-n (Fig. 1). Parallèlement, la phase relative Aharonov Bohm (ϕ) entre |0> et |1>, induite par la présence du champ B, peut être ajustée selon la valeur de ce champ magnétique externe. Le contrôle complet des deux phases θ et ϕ permet d'obtenir l'état de superposition que l'on souhaite [3]. Cette démonstration d'un contrôle parfait d'un qubit électronique volant est une avancée importante pour concevoir un dispositif à l'état solide permettant un transfert d'information quantique. Il doit maintenant être possible de générer à la demande des paires de qubit volants intriquées à partir d'opérations sur des qubits volants à deux électrons. Autre voie de recherche, nécessitant un nouvel effort technologique : raccourcir l'impulsion des lévitons, afin de permettre un multiplexage temporel.

Références : [1] “Quantum hall valley splitters and a tunable Mach-zehnder interferometer in graphene”, M Jo, P Brasseur, A Assouline, G Fleury, HS Sim, K Watanabe, T Taniguchi, W Dumnernpanich, P Roche, DC Glattli, N Kumada, FD Parmentier, P Roulleau, Physical Review Letters 126(14) (2021) 146803. [2] “Scaling behavior of electron decoherence in a graphene Mach-Zehnder interferometer”, M Jo, JYM Lee, A Assouline, P Brasseur, K Watanabe, T Taniguchi, P Roche, DC Glattli, N Kumada, FD Parmentier, H-S Sim, P Roulleau, Nature Communications 13(1), (2022) 5473 . [3] “Emission and coherent control of Levitons in graphene”, A Assouline, L Pugliese, H Chakraborti, Seunghun Lee, L Bernabeu, M Jo, K Watanabe, T Taniguchi, DC Glattli, N Kumada, H-S Sim, FD Parmentier, P Roulleau, Science 382(6676) (2023) 1260-1264.   Cette recherche a été réalisé en suite directe du projet européen ERC starting Grant 2015 COHEGRAPH, porté par Preden Roulleau.   Contact CEA-IRAMIS : Preden Roulleau (SPEC/Groupe Nanoélectronique) Collaboration : Seunghun Lee, H-S Sim: Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) K Watanabe, T Taniguchi: the National Institute for Materials Science (NIMS) Norio Kumada : Nippon Telegraph and Telephone Corporation (NTT).

Une collaboration de physiciens a réalisé un nouveau type de bit quantique supraconducteur à basse fréquence (MHz au lieu du GHz) dont la sensibilité aux charges électriques est à même de permettre le contrôle et la mesure de l’état quantique d’un micro-résonateur mécanique. Le dispositif fournit un composant qui peut permettre des avancées sur une physique nouvelle mêlant gravitation et mécanique quantique.

Détecter les vibrations quantiques d'un résonateur mécanique, ou même préparer un tel objet massif dans un état de superposition quantique où il occupe simultanément deux positions distinctes, nécessite de pouvoir mesurer et contrôler le système avec un dispositif lui-même quantique, comme un qubit supraconducteur. Les qubits, développés pour l’information quantique, seraient bien adaptés, s’ils ne fonctionnaient pas à des fréquences largement supérieures (quelques GHz) à celles des micro-résonateurs mécaniques de type MEMs développés en laboratoire, dont la fréquence de résonance est de l'ordre du MHz. En améliorant un dispositif nommé fluxonium, une collaboration de physiciens a réussi à fabriquer un qubit supraconducteur fonctionnant à la même fréquence que ces micro-résonateurs mécaniques. Il est également montré que ce fluxonium est également un capteur de charge électrique de très haute sensibilité. Pouvoir ainsi réduire la fréquence des qubits supraconducteurs d’un facteur 1000, et utiliser leur sensibilité extrême aux fluctuations de charges électriques, permet d'obtenir un élément déterminant pour de futures expériences sur des systèmes quantiques massifs. Un tel capteur pourrait permettre des avancées sur une physique nouvelle mêlant gravitation et mécanique quantique. Les qubit supraconducteurs sont un système de choix comme support d’information dans l'industrie quantique. Ce sont des systèmes dont le composant de base est une jonction Josephson, réalisée avec deux couches de matériaux supraconducteurs séparées par une couche d'oxyde métallique isolante, à travers laquelle les électrons peuvent passer par effet tunnel. Ces systèmes transitent entre deux états discrets, lorsqu’ils sont excités à une fréquence spécifique. Dans les qubit supraconducteurs appelés transmons, utilisés dans les ordinateurs quantiques industriels (Google, IBM, Amazon,…), ces transitions se produisent dans la gamme des micro-ondes (quelques GHz), proche de la fréquence des signaux des téléphones cellulaires. Or les résonateurs mécaniques à même de stocker de l’information quantique pendant de longues durées ont une fréquence mille fois inférieure (gamme du MHz). Dans ce travail, des chercheurs ont réussi à étendre les limites opérationnelles d'un qubit en dessous de 2 MHz. Le système réalisé s’appelle fluxonium lourd. Il est constitué d’une jonction Josephson, d’un condensateur (électrodes métalliques séparées par un isolant), et d’une superinductance. Ce dernier composant est la clef du dispositif car il permet de supprimer les bruits électriques à ces basses fréquences, omniprésents dans l’environnement et très problématiques dans les systèmes quantiques de ce type. Il est constitué d’une chaîne de 360 jonctions Josephson, produisant une inductance de 2 µH sur une surface de seulement 0.002 mm². Les deux états discrets de ce qubit correspondent à des "courants permanents", parcourant la boucle supraconductrice dans un sens ou dans l’autre. La différence d’énergie entre ces deux états est ajustable et fonction de la valeur du champ magnétique externe appliqué à la boucle. De plus, à une valeur spécifique du champ magnétique, les états du qubit consistent en une superposition de type "chat-de-Schrödinger" des deux états de courant permanents de sens opposé. A ce point de fonctionnement, ce travail démontre que le qubit présente une sensibilité très importante à un champ électrique appliqué. Figure : (a) Schéma électrique équivalent du fluxonium. La superinductance est représentée en bleu, la jonction Josephson est représentée en rouge, et le condensateur en vert. (b) Image au microscope électronique à balayage (MEB) du circuit. L’image est colorisée avec le même code couleur que pour (a). (c ) Zoom sur la superinductance et sur la jonction Josephson.

Ainsi, outre sa fréquence très basse, le fluxonium réalisé dans ce travail est un capteur de charge électrique dont la sensibilité égale celle des meilleurs systèmes existants. La sensibilité atteinte est de 33 µe/Hz1/2, ce qui signifie qu'en une seconde il peut détecter une variation de charge électrique de 33 millionièmes d'électron. Cette avancée cruciale pourrait alors être exploitée pour détecter les vibrations quantiques d'un micro-résonateur mécanique (sorte de micro-membrane de tambour) porteur de charges électriques et oscillant au voisinage du fluxonium, les deux systèmes étant couplés par couplage capacitif. À moyen terme, en combinant la sensibilité extrême de ce circuit à une modulation de charge électrique, et sa basse fréquence de fonctionnement, il est envisageable de préparer un micro-tambour, dans une superposition quantique pour laquelle la membrane du tambour occupe simultanément deux positions distinctes. Comme cet objet possède une masse, il est à l’origine d’un champ gravitationnel, dont on ignore encore aujourd'hui l'origine profonde. Ce travail ouvre ainsi la voie à la réalisation d'expériences susceptibles d'élucider ce débat séculaire autour de l’une des principales questions non résolues de la physique quantique moderne.

Référence : High-sensitivity AC-charge detection with a MHz-frequency fluxonium qubit. Baldo-Luis Najera-Santos, Rémi Rousseau, Kyrylo Gerashchenko, Himanshu Patange, Angela Riva, Marius Villiers, Tristan Briant, Pierre-François Cohadon, Antoine Heidmann, José Palomo, Michaël Rosticher, Hélène le Sueur, Alain Sarlette, William Clarke Smith, Zaki Leghtas, Emmanuel Flurin, Thibaut Jacqmin & Samuel Deléglise, Phys. Rev. X 14 (2024) 011007. Voir également le "highlight" de l'éditeur de "Physics Magazine" : "Superconducting qubit breaks low-frequency record". arXiv preprint arXiv:2307.14329 Voir l'actualité CNRS : "Un qubit supraconducteur comme capteur ultrasensible dans le domaine radiofréquence". Contact CEA-SPEC : Emmanuel Flurin et Hélène Le Sueur, IRAMIS/SPEC/GQ Collaboration : Sorbonne Université, Laboratoire Kastler Brossel, CNRS, ENS, Université PSL, et Collège de France, Université Paris-Saclay, Équipe Quantronique du SPEC (CEA), UMR CEA-CNRS Equipe Quantic (INRIA), LPENS (ENS, Sorbonne Université, Université PSL, CNRS) Alice&Bob Ce travail a été réalisé grâce au financement du projet ANR Mecaflux (2021-2025), coordonné par Samuel Deléglise (Laboratoire Kastler Brossel), partenariat entre l'Inria de Paris, le LPENS Laboratoire de physique de l'ENS, le LKB - Laboratoire Kastler Brossel et le SPEC Service de physique de l'état condensé.