CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


12 avril 2018

Pour l'ensemble des activités humaines, les pertes thermiques représentent 20 à 50 % de la consommation totale d'énergie. Récupérer sous forme d'électricité une fraction de cette chaleur résiduelle aujourd'hui perdue, améliorerait grandement notre efficacité énergétique.

Pour ceci, les liquides complexes tels que les liquides ioniques chargés ou non en nanoparticules (nanofluides ioniques) sont considérés comme de nouveaux matériaux prometteurs permettant d'améliorer le rendement de conversion directe de chaleur en électricité (ou thermoélectricité). Les efforts expérimentaux et théoriques de l'équipe SPHYNX du SPEC contribuent à élucider les divers phénomènes thermoélectriques se produisant au sein des  ces liquides, permettant d'obtenir des coefficients thermoélectriques (TE) parmi les plus élevés. Cette maitrise des phénomènes élémentaires au sein de ces milieux complexes permet de proposer des solutions pour optimiser la production d'énergie thermoélectrique.

23 janvier 2018

La résonance magnétique a un impact important dans nos vies de tous les jours, de l’imagerie médicale au contrôle qualité dans la production de bière. Cette technique utilise de puissants aimants et des impulsions radio-fréquence ou micro-ondes pour révéler de faibles concentrations de molécules dans une substance. Améliorer la sensibilité – ce qui peut être obtenu en augmentant le signal ou en réduisant le bruit – permet à de plus faibles quantités de matériel d’être mesurées et constitue donc une quête incessante de la discipline.

Depuis 2015 les chercheurs du groupe Quantronique du SPEC (IRAMIS), au sein d’une collaboration avec des chercheurs de UCL à Londres et de l’université de Aarhus au Danemark, appliquent les techniques des circuits supraconducteurs quantiques refroidis à ultra-basse température (10 millikelvins) à la résonance magnétique. En particulier les spins électroniques sont couplés à un résonateur supraconducteur fabriqué à la surface de l’échantillon dont les dimensions transverses du fil servant d’inductance (cf figure 2) sont de l’ordre de quelques micromètres afin de confiner le champ micro-onde et d’exalter l’interaction avec les spins. Les premiers résultats obtenus en 2016 avaient montré une sensibilité record de 1700 spins détectables avec un rapport signal-à-bruit de 1 en 1 seconde d’intégration [1]. Dans cette expérience, les très basses températures nous permettaient de supprimer complètement la composante thermique du bruit, mais il restait les fluctuations quantiques du champ micro-onde dans son état fondamental (le vide).

En 2017 les chercheurs ont amélioré ces résultats en réalisant deux expériences différentes.

15 octobre 2018

Le couplage magnéto-électrique suscite un vif intérêt dans le domaine des applications liées à la spintronique et à la conversion d’énergie. Des couplages forts rendent possibles  le pilotage des propriétés magnétiques par un potentiel électrique, l’effet inverse est aussi envisageable bien que technologiquement moins pertinent. Des couplages plus modestes quant à eux permettent d’envisager des mémoires magnéto-électriques multi-états. Au-delà du gain en densité d’information, des logiques multi-états permettraient d’augmenter considérablement les puissances de calcul. Malheureusement, les principes physiques de la ferroélectricité et du ferromagnétisme sont antagonistes [1] et les composés magnéto-électriques à température ambiante sont rares (si on veut bien inclure les matériaux antiferromagnétiques non compensés, inexistants sinon).

L’utilisation de couches minces épitaxiées permet d’apporter le degré de liberté manquant indispensable à la coexistence des 2 ordres à grande distance et ouvre la porte à l’élaboration de matériaux multiferroïques artificiels. Des matériaux très stables en conditions atmosphériques, tels que les oxydes, avec des températures d’ordre élevées (au-dessus de l’ambiante) sont des candidats idéaux. Dans ces systèmes il y a une forte interdépendance/interaction des paramètres magnétiques, ferroélectriques et structuraux. Une étude pertinente doit donc aborder l’ensemble de ces aspects.

Ce défi a été relevé dans le cadre du consortium du projet ANR-IOBTO (partenaires CEA/SPEC, Synchrotron-SOLEIL, INSP). Nous avons élaboré, par épitaxie par jets moléculaires, des hétérostructures à base de couches minces ferroélectriques de titanate de Ba, BaTiO3, et de ferrite de cobalt ferrimagnétique: CoFe2O4. Une matrice d’échantillons d’épaisseurs réciproquement variables a été élaborée [2]. Chaque échantillon a été analysé pour ses états de contraintes, ses propriétés magnétiques et électriques [3] en utilisant, en particulier, massivement des techniques de rayonnement synchrotron afin de compenser la faible quantité de matière dans les couches. En effet, la relaxation structurale est quasiment complète lorsque le cumul d’épaisseur des couches est de l’ordre de 30 nm, limitant le potentiel de propriétés magnéto-électrique à des épaisseurs inférieures. Toutes les hétérostructures réalisées sont épitaxiées et d’excellente qualité cristalline (figure 1a). A partir de cartographies de l’espace réciproque réalisées en diffraction de surface des rayons X en incidence rasante on a pu remonter à l’ensemble de paramètres structuraux et mettre en évidence une partie contrainte et relaxée dans la couche de BaTiO3. De façon contre intuitive on trouve que la relaxation structurale de chaque couche dépend étroitement de l’épaisseur totale en passant par des étapes caractéristiques en allant de l’adaptation au substrat pour les couches les plus fines jusqu’à la relaxation totale de chaque couche (figure 1b).

13 février 2018

Currents circulating in excitable cells like neurons or nerve fibers may be measured by the radiated magnetic field.  At the organ level, these magnetic fields can be detected by non-invasive experiments using highly sensitive magnetometers such as SQUIDS, atomic magnetometers or mixed sensors, the latter using spin electronics. This technique, called Magneto-Encephalography, allows measuring neuronal activity at a millisecond resolution and for collective response of population of typically 10 000 neurons and more. To understand the genesis of the signals obtained in brain areas, it is relevant to investigate the fields generated at the level of one or few cells. This requires small and sensitive field sensors, operating at physiological temperatures, which has long been out of reach from existing technologies.

Spin electronics allow now developing small sized and very sensitive magnetometers, reaching the sub-nanotesla field range on micron-size sensors. These devices operate from low temperature to hundreds of °C, so they can be used at physiological temperature. Furthermore, spin electronics sensors, based on thin film technology, can be deposited on silicon or glass substrates which can be shaped in needle-type devices to allow penetration in tissues with reduced damages.

In the frame of the European FET-project “Magnetrodes”, the Nanomagnetism and Oxydes laboratory (LNO) at CEA-Saclay has designed and fabricated magnetic sensors called magnetrodes, as a magnetic equivalent of electrodes, to probe locally the information transmission of excitable cells. These sharp probes contain GMR elements in embodiment compatible with recordings within tissues.

In collaboration with Pascal Fries’team at the Ernst Strüngmann Institute in Frankfurt, Germany, the LNO laboratory has realised the first in vivo experimental measure of the magnetic signature of local field potentials in the cat’s visual cortex. It has paved a new way to a local description of electrical activity, without direct contact to the cell and which allows accessing not only the amplitude of the activity but also its direction of propagation, at any depth within the tissues.

05 juin 2018

L’auto-assemblage de molécules optiquement actives sur des surfaces métalliques ouvre de nouvelles opportunités pour les sources de lumières organiques et les milieux amplificateurs de lumière. La surface d’un métal supporte des plasmons de surface (PPS), excitations électroniques sous forme d'ondes électromagnétiques se propageant le long de la surface. Une collaboration saclaysienne, entre le SPEC/LEPO et l'équipe de Sylvain Barbay du C2N, montre que l’auto-assemblage de molécules spécifiques optiquement actives, permet de maximiser leur couplage électromagnétique avec ces plasmons de surface.

Le milieu ainsi réalisé permet d'atteindre une forte densité de molécules fluorescentes. De plus, le moment dipolaire des molécules est idéalement orienté perpendiculairement à l’interface, selon la direction de polarisation prédominante des PPS. Enfin, cet assemblage des molécules donne naissance à un mode d’excitation collective (exciton ou formation de paires électron-trou) en interaction avec les PPS. La combinaison unique de ces trois caractéristiques permet d’atteindre le régime de couplage fort entre l’exciton et les PPS. Dans ce régime, l’échange très rapide d’énergie entre les molécules et les PPS donne naissance à des modes hybrides qui présentent un grand intérêt fondamental et appliqué en photonique. En particulier l’analyse de l’émission spontanée dans ces modes hybrides permet de clarifier la physique en jeu, dans ces conditions de couplage fort,  sujet fortement débattu actuellement pour la réalisation de sources cohérentes nanométriques.

17 décembre 2018
Dans un article publié le 28 décembre 2018 dans PNAS [1], le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), en collaboration avec celui de Hepeng Zhang à l’Université Jiao Tong de Shanghai, a réussi à modéliser quantitativement la structure et la dynamique des défauts topologiques d’un cristal liquide actif fait de bactéries. Ce résultat constitue une étape importante dans l’évolution de la physique de la matière active en une discipline mature, notamment en vue des nombreuses applications attendues de ces systèmes.

 

19 mai 2018

Dans un article publié le 17 Mai 2018, dans la revue Cell, l'équipe dirigée par Guillaume Duménil à l'Institut Pasteur, en collaboration avec le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC) et celui de Raphaël Voituriez (UPMC), décrypte une étape clé de l’infection causée par le méningocoque, un pathogène humain responsable de méningites chez les nourrissons et les jeunes adultes. Malgré une prise en charge rapide, le taux de mortalité dû à ces infections reste très important.

La modélisation statistique permet de rendre compte des interactions conduisant à la formation des agrégats bactériens observés. L'étude révèle un nouveau type de matière active basée sur la présence des forces attractives intermittentes entre ses éléments constituants.

17 décembre 2018
Dans un article publié le 28 décembre 2018 dans PNAS [1], le groupe d’Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), en collaboration avec celui de Hepeng Zhang à l’Université Jiao Tong de Shanghai, a réussi à modéliser quantitativement la structure et la dynamique des défauts topologiques d’un cristal liquide actif fait de bactéries. Ce résultat constitue une étape importante dans l’évolution de la physique de la matière active en une discipline mature, notamment en vue des nombreuses applications attendues de ces systèmes.

 

21 août 2018

La convection thermique est à l'origine des écoulements turbulents au sein des atmosphères planétaires, des océans, des étoiles et des planètes. En astrophysique, un des objectifs est de déterminer les lois régissant le transport convectif de chaleur, afin de les inclure dans les modèles d'évolution stellaire.

En utilisant un forçage radiatif, les chercheurs du SPEC/SPHYNX sont parvenus à reproduire en laboratoire un régime de convection turbulente similaire à celui observé dans les milieux stellaires. Cette expérience constitue la première confirmation expérimentale d'idées théoriques datant de plus de 60 ans et doit contribuer à déterminer a priori les lois régissant la convection turbulente, afin de développer de meilleurs modèles astrophysiques prédictifs.

 

 

28 mars 2018

Les séismes majeurs sont imprévisibles et pourtant l'analyse statistique des évènements précurseurs et des répliques au choc principal suivent des lois statistiques aujourd'hui bien établies, mais dont l'origine reste encore très mal comprise.

En physique statistique, les mêmes lois peuvent s'appliquer à des systèmes en apparence très différents. Il suffit généralement qu'ils présentent une dimensionnalité et certaines propriétés de symétrie identiques. Il est ainsi tentant de rapprocher les études sismologiques de celles concernant la fracture des matériaux.

Des chercheurs des laboratoires de l’IRAMIS/SPEC/SPHYNX du CEA Saclay et du LTDS-Lyon, associés au CNRS, ont étudié les événements acoustiques émis lors de la propagation d’une fissure unique au sein d'un matériau hétérogène fragile, sollicité en tension. Comme cela a été observé pour un endommagement en compression, ils mettent alors en évidence que l'organisation statistique de ces évènements suit des lois d'échelles similaires à celles observées dans l'étude des séismes. Le système modèle étudié de l'avancée d'une fracture unique étant par nature plus simple et bien défini, il a été possible de comprendre dans ce cas l’origine de ces lois statistiques. Ceci ouvre de nouvelles pistes pour interpréter les lois d'échelles et leur utilisation en sismologie ou pour le suivi de l'endommagement des matériaux.

12 avril 2018

Pour l'ensemble des activités humaines, les pertes thermiques représentent 20 à 50 % de la consommation totale d'énergie. Récupérer sous forme d'électricité une fraction de cette chaleur résiduelle aujourd'hui perdue, améliorerait grandement notre efficacité énergétique.

Pour ceci, les liquides complexes tels que les liquides ioniques chargés ou non en nanoparticules (nanofluides ioniques) sont considérés comme de nouveaux matériaux prometteurs permettant d'améliorer le rendement de conversion directe de chaleur en électricité (ou thermoélectricité). Les efforts expérimentaux et théoriques de l'équipe SPHYNX du SPEC contribuent à élucider les divers phénomènes thermoélectriques se produisant au sein des  ces liquides, permettant d'obtenir des coefficients thermoélectriques (TE) parmi les plus élevés. Cette maitrise des phénomènes élémentaires au sein de ces milieux complexes permet de proposer des solutions pour optimiser la production d'énergie thermoélectrique.

 

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