CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Faits marquants 2019

13 mai 2019

L'irruption du graphène au mitan des années 2000 a mis en lumière la physique des matériaux bi-dimensionnels, c'est à dire atomiquement minces. Plus tard, sont venus s'ajouter au graphène, les dichalcogénures de métaux de transition, le phosphore noir ou le nitrure de bore hexagonal (h-BN), qui sont aujourd'hui des sujets d'étude privilégiés du fait notamment de leurs propriétés optiques nouvelles (à la différence du graphène, ces matériaux sont des semi-conducteurs). Les excitons, qui sont des quasiparticules combinées (un électron dans la bande de conduction, BC, associé à un trou dans celle de valence, BV) et dont les états se situent dans le gap, sont exacerbés dans ces matériaux du fait de la géométrie bidimensionnelle. Ils se situent dans une gamme de 0.1 à 1 eV sous la BC.

17 juin 2019

Alors que dans le monofeuillet de graphène tous les atomes sont équivalents, l’empilement particulier de ces feuillets dans le graphite, déterminé par Bernal [1], conduit à distinguer deux types d’atomes, α et β, suivant qu’ils sont superposés ou non à un atome du feuillet inférieur (figure a). Les atomes α et β de la surface ont alors des propriétés électroniques différentes, un effet bien connu des utilisateurs de microscopie à effet tunnel (STM) puisque seuls les atomes β y sont visibles. Au contraire, la topographie du graphite vue par le microscope à force atomique (AFM) fait apparaître une structure en nid d’abeille identique à celle du graphène en monofeuillet, où tous les atomes sont équivalents (voir schéma c).


Cet effet électronique peut-il se manifester à plus grande échelle, par exemple sur des molécules déposées sur le graphite ou le graphène ? Pour le savoir, il faut être capable de positionner très précisément des molécules sur une telle surface. C’est justement ce que permettent les techniques d’auto-assemblage développées au LEPO depuis plusieurs années [2]. Cependant, ces techniques basées sur l’épitaxie de groupes méthylènes (-CH2-) ne dépendent que de la topographie et ne distinguent donc pas les atomes α et β. L’astuce consiste à utiliser un réseau de molécules auto-assemblées comprenant deux molécules par maille et de symétrie telle que l’une des molécules est en contact principalement avec des atomes α du substrat de graphite et l’autre avec des atomes β (en bleu et jaune respectivement sur la figure a). Ces molécules de tristilbène ont une structure carbonée alternant simple et double liaisons proches de celle du graphène. Les images STM de l’assemblage montrent alors une différence de brillance entre les deux molécules imagées simultanément (figure b), permettant ainsi de comparer les densités spectrales d’orbitales électroniques de ces deux configurations. Lorsque le même système est déposé sur du graphène (figure c), les deux molécules sont équivalentes et ne montrent aucune différence de brillance (figure d) ce qui confirme l’origine de l’effet : la structure électronique d’une molécule adsorbée sur le graphite est influencée par la couche de graphène sous-jacente à la surface, avec laquelle elle n’est pourtant pas en contact direct [3].


Ces résultats illustrent la possibilité de positionner des molécules fonctionnelles sur le graphite ou le graphène avec une précision sub-atomique par auto-assemblage, et démontrent qu’on peut en tirer parti pour contrôler les propriétés électroniques de tels assemblages.

 

24 juillet 2019

Par l'étude du diagramme de phase de l’oxyde de cuivre HgBa2Ca2Cu3O8+δ, des chercheurs démontrent l’existence d’un lien d’origine microscopique entre l’état supraconducteur et la redistribution des charges dans le cristal (ordre de charge), qui se généralise à tous les oxydes de cuivre supraconducteurs.

11 mars 2019
La métrologie (spectroscopie, mesures de temps ou de distances) ou encore la réalisation de réseaux optiques quantiques nécessitent des sources de photons uniques efficaces. Une équipe du SPEC à Saclay, en collaboration avec l'IQST d'Ulm en Allemagne, démontre expérimentalement une voie originale pour obtenir une source de photons microonde uniques, simple, efficace et brillante. Cette nouvelle voie exploite un régime de fort couplage lumière-matière rendu accessible grâce aux développements récents des circuits électriques quantiques.

 

11 juillet 2019
La métrologie (spectroscopie, mesures de temps ou de distances) ou encore la réalisation de réseaux optiques quantiques nécessitent des sources de photons uniques efficaces. Une équipe du SPEC à Saclay, en collaboration avec l'IQST d'Ulm en Allemagne, propose une voie originale pour obtenir une source de photons microondes uniques, simple, efficace et brillante. Cette nouvelle voie exploite un régime de fort couplage lumière-matière, rendu accessible grâce aux développements récents des circuits électriques quantiques.

 

17 janvier 2019

L'électron est une particule élémentaire portant la charge élémentaire "e", une constante fondamentale de la physique. Cependant, dans un conducteur confiné en 2 dimensions soumis à un champ magnétique intense (10 T), les électrons peuvent s’organiser en un nouvel état quantique topologiquement corrélé où le courant électrique peut être transporté par des charges fractionnaires : e/3, e/4, e/5… . Ni fermions (comme les électrons), ni bosons (comme les photons), ces particules élémentaires artificielles sont dénommées anyons, car on pense qu’elles obéissent à une "statistique quantique fractionnaire". Certaines variétés d’anyons pourraient être exploitées pour le "calcul quantique topologique", où l'information quantique est portée par des états bien définis (qubit), car topologiquement protégés.

Une équipe du SPEC CEA, en collaboration avec le Cavendish Laboratory de Cambridge (UK) pour l'élaboration du matériau, a montré que l’on pouvait observer et manipuler des anyons de charge fractionnaire e* = e/3 ou e/5, avec des photons microondes de fréquence f. Ceci est mis en évidence par l'observation, en présence d'une polarisation V et d'un champ microonde de fréquence f, d'un bruit photo-assisté excédentaire, mesuré au-delà d'une tension seuil VJ donnée par la relation de Josephson : e*VJ=hf. Ces résultats sont publiés dans la revue "Science".

La mesure de ce seuil apporte une nouvelle détermination originale de la charge fractionnaire des anyons. Elle donne aussi la preuve que les anyons peuvent absorber ou émettre des photons, ce qui ouvre une voie pour leur manipulation résolue en temps et tenter de mettre en évidence leur statistique fractionnaire.

31 janvier 2019

Dans un atome, les niveaux d’énergie électroniques présentent une structure fine : certains niveaux se dédoublent du fait de l’interaction spin-orbite, qui couple le spin de l’électron à son mouvement orbital autour du noyau. Des chercheurs du Groupe Quantronique viennent de révéler une structure analogue dans le spectre d’excitation d’un circuit électrique supraconducteur comprenant un nanofil semiconducteur, au sein duquel le couplage spin-orbite est très fort. D’une façon remarquable, le spin d’un seul électron dans le nanofil a un effet mesurable sur les propriétés électriques globales du circuit, qui comprend plus d’un trillion d’électrons.

 

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