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Headlines 2011

19-04-2011

Measurement of the cardiac electrical activity allows following the heart dynamics. Usually measured with electrodes during an electrocardiogram (ECG), this activity can also be studied by monitoring the magnetic component, induced by the circulation of the heart electric currents. This is called "magnetocardiography (MCG). The exquisite sensitivity of the new magnetic sensors made ​​in IRAMIS / SPEC will contribute to the emergence of this technique, which has the advantage of being contactless, therefore requiring no electrodes and allowing a dynamic imaging of the cardiac cycle by a mapping of the signal.

23-11-2011
K. Katsuyoshi, D. L'Hôte, S. Nakamae, M. Konczykowski, V. Mosser
Le théorème de fluctuation-dissipation, reliant l'intensité des fluctuations d'une observable à la réponse à une sollicitation, est un principe vérifié pour tous les systèmes à l'équilibre thermodynamique. Une collaboration de chercheurs de l'IRAMIS/SPEC et LSI a étudié un système ferrofluide, formé d'un ensemble de nanoparticules magnétiques en suspension dans un liquide, et montré qu'il ne satisfait plus ce théorème de fluctuation-dissipation à très basse température dans sa phase gelée, en dessous de sa température de transition (Tg = 67K) entre un état superparamagnétique (à l'équilibre) et un état de verre de superspins (à dynamique lente). Cette première démonstration de la violation du théorème de fluctuation-dissipation sur ce système original enrichit le domaine très actif de la physique statistique des systèmes hors d’équilibre.

 

Le théorème fluctuation-dissipation (TFD) est un des résultats les plus fondamentaux de la physique statistique. Il relie l'intensité des fluctuations thermiques d’un système en équilibre à sa réponse à une force extérieure. Il traduit le fait que l’énergie apportée par cette force sera dissipée en chaleur en raison du caractère erratique et fluctuant des interactions avec les composants microscopiques du système. Sa version la plus célèbre est l’équation d’Einstein qui relie le coefficient de diffusion D d’une particule Brownienne dans un fluide (D "mesure" les fluctuations thermiques) à la viscosité η du fluide (η est la "réponse" du fluide à une force s’exerçant sur un objet en mouvement).

D=kBT/6πηr

Dans sa forme générale, ce théorème relie le spectre Sx(w) des fluctuations δx d’une observable x, à la partie dissipative de la susceptibilité χ”(w) qui traduit la réponse au champ conjugué à cette observable.

Sx(ω) = < [δ x  )]2> = (2 kBT/ω)χ,’’(ω)

ω/2π est la fréquence et T la température.

Le TFD s'applique aux systèmes à l’équilibre. Durant les trois dernières décades, son extension au cas hors d’équilibre a fait l’objet de nombreuses recherches expérimentales et théoriques [1]. Selon certains modèles, le TFD peut être conservé dans le cas hors d’équilibre à condition de remplacer la température T par une température effective Teff supérieure, le rapport (Teff / T) donnant une mesure de l’écart à l’équilibre du système. Pour tester cette prédiction, les verres sont des systèmes physiques idéaux car ils sont par nature hors d’équilibre et à dynamique lente. Parmi ces systèmes, un verre de spin est un ensemble de moments magnétiques désordonnés interagissant entre eux. Pour baisser l’énergie d’un spin donné, il ne suffit pas de le réorienter, mais il faut aussi réorienter ses voisins, puis les voisins des voisins, etc… Il faut donc un temps très long pour atteindre l’équilibre.

L’étude de la violation du TFD a concerné divers système vitreux jusqu’à ce jour, mais peu de résultats expérimentaux existent du fait de la difficulté à mesurer les faibles signaux de "bruit" à l'origine des fluctuations d’une observable. L’équipe MFD ('Magnétisme, Frustration et Désordre') de l'IRAMIS/SPEC dans le cadre d’une collaboration avec une équipe du LSI, a ainsi testé le théorème fluctuation-dissipation sur un verre de spin bien particulier : un ensemble de nanoparticules magnétiques (γ-Fe2O3) en suspension dans un liquide (ferrofluide) gelé car refroidi à basse température [2]. Chaque nanoparticule est monodomaine et porte un moment magnétique ~ 104μB très supérieur aux moments magnétiques atomiques, formant ainsi un "verre de superspins". La température est choisie inférieure à la température de transition Tg = 67K où le système passe de l’état superparamagnétique (aimantation fluctuante des grains individuels, à l'équilibre) à l’état verre de superspins. Dans ce système, les interactions dipolaires entre moments magnétiques sont à l’origine des propriétés de verre de spin avec une dynamique lente et des effets de mémoire.

 

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