CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Faits marquants 2016

15 décembre 2016

La réalisation de dispositifs basés sur l’électronique de spin (spintronique) où une molécule magnétique est le composant actif est un objectif de premier plan dans le domaine du magnétisme moléculaire. La collaboration entre des groupes de physiciens et de chimistes, théoriciens et expérimentateurs avec le soutien du Laboratoire d’excellence NanoSaclay a permis de mettre en évidence la présence d’une bistabilité magnétique à l’échelle de la molécule individuelle. Pour ceci, les chercheurs ont greffé de manière covalente différentes molécules magnétiques (phosphonates à base de cobalt ou nickel) sur une surface ferrimagnétique d’oxyde de fer (Fe3O4). Ils ont mis en évidence, grâce à la combinaison de plusieurs techniques de caractérisation de surface, un greffage covalent d’une monocouche de molécules sur le film magnétique.

Des études de dichroïsme magnétique des rayons X sur la ligne DEIMOS du Synchrotron SOLEIL ont ensuite révélé la présence d’un couplage magnétique à l’interface molécule/film magnétique et la modification de l’anisotropie magnétique des molécules (selon le métal de transition considéré) conduisant à la présence d’un cycle d’hystérèse des molécules individuelles. Les calculs théoriques permettent de rationaliser les données expérimentales. Ces études ouvrent des perspectives de réalisation de dispositifs de spintronique moléculaire.

13 octobre 2016
Contrôler l’aimantation d’un réseau bidimensionnel de molécules à l’aide de la lumière, c’est ce que viennent de démontrer des équipes du Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, de l’Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay, et du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay. Dans des travaux publiés dans Nature Communications, ces chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de faire transiter des molécules d’un état non-magnétique vers un état magnétique, à l’aide d’une irradiation laser, et sous contrôle de la pointe d’un microscope électronique à effet tunnel (STM). Ce travail ouvre des perspectives prometteuses dans le contrôle à l’échelle moléculaire de couches magnétiques bidimensionnelles.

 

19 avril 2016
Groupe Modélisation et Théorie
Les performances grandissantes des microprocesseurs cachent un problème de taille : les pertes dissipées par effet Joule sous forme de chaleur. En plus de l’énergie perdue considérable qu’elles représentent, elles peuvent entraîner une surchauffe et endommager le matériel. Dans ce contexte, il est devenu important de mieux comprendre les échanges de chaleur à l’échelle micrométrique. Dans une série de trois articles récemment publiés dans Physical Review B, Physica E et Physical Review Applied, des théoriciens du SPEC ont exploré de nouvelles pistes pour refroidir localement des points chauds ou à l’inverse, pour convertir une partie de la chaleur perdue en électricité utile. Leurs travaux exploitent les effets thermoélectriques dans un régime où électrons et phonons sont fortement couplés.

 

15 juin 2016

Contrôler la formation de films organiques est un enjeu des nanosciences. Les propriétés du film sont non seulement influencées par sa structure mais aussi par la nature et la conformation des blocs moléculaires qui le composent. Ainsi, une collaboration entre des chercheurs du LEPO du SPEC, du LICSEN du NIMBE, de l’Université de Lincoln (UK) et de la start-up AJELIS, explore les possibilités offertes par de nouveaux composés organiques, portant des fonctions périphériques pour former des auto-assemblages et un corps central (spacer) gouvernant leurs propriétés électroniques. Ces études montrent que des films poreux ou compacts peuvent être créés en modifiant la longueur du spacer mais aussi que celui-ci peut adopter une conformation originale en forme de « S » dans le film organique alors que la conformation droite « I » est intrinsèquement la plus probable. De multiples applications pourraient bénéficier de ces films organiques bidimensionnels poreux, en tant que templates de croissance, capteurs, systèmes de piégeage ou encore comme couches de confinement électronique pour surface conductrice.

12 août 2016

L'énergie mécanique injectée dans un fluide visqueux se dissipe sous forme de chaleur par l'effet de la viscosité. Cette conversion est extrêmement complexe, et s’opère via des mouvements tourbillonnants sur une large gamme d’échelles. Les physiciens pensent que ce processus est bien décrit par les équations de Navier-Stokes. Si ces équations semblent bien décrire les mouvements des fluides, les mathématiciens, eux, ont des doutes concernant leur validité : ces équations sont-elles bien posées ? Leur solution est-elle unique ? Ne pourraient-elles receler des singularités, pour lesquelles la vitesse deviendrait localement spontanément infinie ? Et avec quelles conséquences sur la dissipation d’énergie ?

L'équipe SPHYNX du SPEC, apporte une première réponse expérimentale à certaines de ces questions en utilisant un dispositif expérimental permettant de mesurer localement, et avec une très grande précision, la vitesse du fluide et donc les transferts d’énergies jusqu'à l’échelle où la viscosité opère. On observe l'émergence d’événements intenses de dissipation d’origine non-visqueuse, qui pourraient être associés aux singularités mathématiques recherchées par les mathématiciens. Ce résultat impose de fortes contraintes sur la taille des échelles à résoudre pour espérer effectuer une simulation fidèle des fluides réels et pourrait bouleverser certaines méthodes numériques.

15 décembre 2016

La réalisation de dispositifs basés sur l’électronique de spin (spintronique) où une molécule magnétique est le composant actif est un objectif de premier plan dans le domaine du magnétisme moléculaire. La collaboration entre des groupes de physiciens et de chimistes, théoriciens et expérimentateurs avec le soutien du Laboratoire d’excellence NanoSaclay a permis de mettre en évidence la présence d’une bistabilité magnétique à l’échelle de la molécule individuelle. Pour ceci, les chercheurs ont greffé de manière covalente différentes molécules magnétiques (phosphonates à base de cobalt ou nickel) sur une surface ferrimagnétique d’oxyde de fer (Fe3O4). Ils ont mis en évidence, grâce à la combinaison de plusieurs techniques de caractérisation de surface, un greffage covalent d’une monocouche de molécules sur le film magnétique.

Des études de dichroïsme magnétique des rayons X sur la ligne DEIMOS du Synchrotron SOLEIL ont ensuite révélé la présence d’un couplage magnétique à l’interface molécule/film magnétique et la modification de l’anisotropie magnétique des molécules (selon le métal de transition considéré) conduisant à la présence d’un cycle d’hystérèse des molécules individuelles. Les calculs théoriques permettent de rationaliser les données expérimentales. Ces études ouvrent des perspectives de réalisation de dispositifs de spintronique moléculaire.

17 novembre 2016

De nos jours, être capable de réaliser des mesures locales sur des très faibles volumes d’échantillons (inférieur au nanolitre), afin effectuer par exemple  un diagnostic précoce de certaines pathologies ou pour  détecter des d’objets de taille nanométrique ou subnanométriques; représente un réel défi.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) basée sur la détection de la réponse des noyaux placés dans un champ magnétique à une excitation radiofréquence est une technique non-invasive, extrêmement puissante largement utilisée en biologie et chimie  pour analyser la matière et en extraire des informations structurales très locales. En médecine, cette technique est utilisée pour l’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) pour le diagnostic.

Réaliser de la RMN à l’échelle microscopique demande de détecter des champs magnétiques à ces échelles. Pour cette raison, des microbobines accordées ont été développées par de nombreux laboratoires mais présentent une résolution limitée à l’étude de volumes compris entre 1 nL et  1 µL. Dans le cadre de sa thèse, P-A. Guitard les a remplacées par des capteurs à Magnétorésistance Géante (capteurs GMR) qui présentent l’avantage  de pouvoir, d’une part , être utilisés sur une large bande de fréquence allant du courant continu à des fréquences de l'ordre du GHz, d’autre part, d’être facilement intégrables près de l’échantillon dans un dispositif de spectroscopie.

Ce dispositif est présenté en figure 1. Le capteur est un méandre de surface 40 x 40 µm2 qui permet d’obtenir la sensibilité suffisante pour l’étude de volume de 60 pL.

23 mars 2016

Il est fascinant de pouvoir aujourd'hui construire des dispositifs (capteurs, dispositifs opto-électroniques, réalisation de qubits, …) dont le comportement quantique se manifeste à notre échelle. Pour aller au-delà, il faut réaliser chacune des fonctions nécessaires à la manipulation des objets quantiques, puis savoir les interconnecter, pour observer leur comportement et permettre le traitement de l'information quantique. Dans ce domaine, un enjeu fort aujourd’hui : identifier de nouveaux matériaux, où l’information quantique pourrait être traitée sur des dimensions macroscopiques. Pour ceci, le graphène est un bon candidat, au sein duquel il doit être possible de préserver la cohérence quantique à travers un système étendu.

Ainsi, une collaboration, entre des chercheurs du groupe de Nanoélectronique du SPEC et des chercheurs de NTT-BRL au Japon, montre qu'il est possible de réaliser une lame semi-réfléchissante, permettant de séparer et transmettre selon deux directions distinctes une même fonction d'onde électronique. Par l’application d’un fort champ magnétique perpendiculaire et l’utilisation de grilles électrostatiques, il est en effet possible de contrôler les trajectoires électroniques dans un plan de graphène nanostructuré, de manière à partitionner les électrons au niveau d’une jonction p-n.

Les chercheurs de la collaboration vont maintenant implémenter ces jonctions p-n, équivalent électronique d’une lame semi-réfléchissante, dans des expériences d’optique quantique électronique, où les électrons sont manipulés de manière analogues aux photons dans les fibres optiques, ceci afin de mieux comprendre les propriétés quantiques du transport électronique dans le graphène.

 

28 juin 2016

Les circuits électroniques exploitant les lois de la mécanique quantique ont émergé, ces dernières années, comme une plate-forme permettant de réaliser des tâches hors de portée des circuits classiques. On peut penser, par exemple, aux promesses du calcul quantique ou de l'électronique moléculaire, mais les circuits quantiques permettent également de réaliser des amplificateurs de sensibilité ultime, de communiquer via des champs électromagnétiques non-classiques, etc...

La réalisation d'un circuit quantique n'est cependant pas aussi simple que celui d'un circuit classique où il suffit de rassembler et connecter des composants. Dans le monde quantique, chaque composant intéragit avec l'ensemble des éléments du circuit, ce qui conduit à de nouelles règles d'assemblage. Dans un article paru dans la revue en ligne en accès libre Physical Review X [1], des chercheurs des groupes Nanoélectronique et Quantronique du SPEC établissent ces nouvelles règles pour une large classe de composants quantiques, ouvrant ainsi la voie à une ingénierie des circuits quantiques.

 

15 février 2016

L’émission spontanée de rayonnement est l’un des mécanismes fondamentaux par lesquels un système quantique excité retourne à l’équilibre. Dans l’espace libre, le taux d’émission spontanée, pour le retour de spins excités vers leur état fondamental, est cependant extrêmement faible (un photon émis tous les 30 000 ans !).  Le temps de relaxation T1 de retour des spins à l’équilibre peut alors devenir excessivement long à basse température, rendant de nombreuses mesures tout simplement impossibles. En 1946, Purcell réalisa que la probabilité d’émission spontanée peut être fortement augmentée si un système quantique est placé dans une cavité accordée à sa fréquence de résonance [1]. Dans un article publié par la revue Nature [2]., une collaboration CEA / LCN / Université de Berkeley rapporte la première application de cet "effet Purcell" à des spins électroniques dans les solides. En couplant le spin de donneurs dans le silicium à une cavité micro-onde supraconductrice de facteur de qualité élevé et de faible volume de mode, les auteurs atteignent le régime où l’émission spontanée constitue le mode dominant de relaxation. Cela se traduit par une diminution de 3 ordres de grandeur du temps de relaxation - de 1 000 s à 1 s - lorsque la fréquence de résonance des spins est accordée à résonance avec la cavité, prouvant ainsi que la relaxation de spin peut être contrôlée à la demande.

Les applications de cs résultat sont à chercher du côté de la résonance paramagnétique électronique (RPE) et de l’information quantique. En RPE, le contrôle de la relaxation de spin par la cavité devrait résoudre le problème des temps de relaxation excessivement longs à basse température, et aussi ouvrir la voie à de nouveaux protocoles de polarisation dynamique de spin nucléaire . En information quantique, ces résultats constituent un pas important vers le couplage cohérent d’un spin à des photons micro-ondes, qui pourrait mener à plus long terme vers le développement d’un futur processeur quantique basé sur des spins individuels.

 

12 août 2016

L'énergie mécanique injectée dans un fluide visqueux se dissipe sous forme de chaleur par l'effet de la viscosité. Cette conversion est extrêmement complexe, et s’opère via des mouvements tourbillonnants sur une large gamme d’échelles. Les physiciens pensent que ce processus est bien décrit par les équations de Navier-Stokes. Si ces équations semblent bien décrire les mouvements des fluides, les mathématiciens, eux, ont des doutes concernant leur validité : ces équations sont-elles bien posées ? Leur solution est-elle unique ? Ne pourraient-elles receler des singularités, pour lesquelles la vitesse deviendrait localement spontanément infinie ? Et avec quelles conséquences sur la dissipation d’énergie ?

L'équipe SPHYNX du SPEC, apporte une première réponse expérimentale à certaines de ces questions en utilisant un dispositif expérimental permettant de mesurer localement, et avec une très grande précision, la vitesse du fluide et donc les transferts d’énergies jusqu'à l’échelle où la viscosité opère. On observe l'émergence d’événements intenses de dissipation d’origine non-visqueuse, qui pourraient être associés aux singularités mathématiques recherchées par les mathématiciens. Ce résultat impose de fortes contraintes sur la taille des échelles à résoudre pour espérer effectuer une simulation fidèle des fluides réels et pourrait bouleverser certaines méthodes numériques.

01 juin 2016

Les verres forment l’essentiel de nos matériaux du quotidien, et prennent une place croissante dans les technologies modernes (fibres optiques, etc…). Pourtant leur mécanisme de formation reste une énigme : certaines théories décrivent les verres  comme de simples liquides hyper visqueux ; d’autres en revanche affirment que ce  sont de vrais solides, avec un ordre thermodynamique sous-jacent très subtil appelé "ordre amorphe", auquel correspond une minimisation locale de l'énergie.

Notre collaboration entre quatre laboratoires vient de montrer que l’on peut trancher cette controverse par des mesures de susceptibilités électriques non linéaires du 3ème et du 5ème ordre [1]. En réalisant ces expériences, qui sont une première du genre, on montre qu'un ordre amorphe existe bien dans les verres. La transition entre l'état liquide et l'état vitreux correspond à une nouvelle classe d’universalité de phénomènes critiques, où les domaines amorphes qui s'ordonnent sont compacts.

 

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