CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Faits marquants 2012

20 novembre 2012

Tout objet dans un état de superstition d'états quantiques mais non isolé, perd sa cohérence (décohérence quantique) et seuls les états observables macroscopiquement sont finalement observables.

Des chercheurs du SPEC ont réussi pour la première fois à contrôler la cohérence quantique des électrons d'un conducteur (quasi-particules) en présence d'un champ magnétique intense (8 Teslas, i.e. en régime d'effet Hall quantique entier). Les longueurs de cohérence quantique ont pu être augmentées d'un facteur deux en modifiant le couplage du conducteur quantique avec son environnement, grâce à des grilles de polarisation judicieusement placées.

Le contraste des franges d'interférences en sortie d'un interféromètre électronique est un bon reflet de cette cohérence. Cette expérience a ainsi permis de comprendre la dépendance de la visibilité des interférences quantiques en fonction de l'énergie des électrons injectés.


Une des questions au coeur de la physique fondamentale des conducteurs quantiques est de déterminer à quel point les quasi-particules d'un conducteur se comportent comme des particules libres sans interaction. Un outil très utile à la compréhension de l'interaction d'une quasi-particule avec son environnement est de déterminer sa longueur de cohérence, c'est à dire la distance sur laquelle une quasi-particule perd sa cohérence quantique, reflet de ses propriétés ondulatoires.

27 janvier 2012

Après plus de 20 ans de recherche intensive, l’origine des hautes températures critiques observées dans les cuprates supraconducteurs n’est toujours pas élucidée. Une autre énigme de ces composés est la présence d’une phase dite de "pseudogap" caractérisée par l’ouverture partielle d’un gap dans les excitations de basse énergie au dessous d’une certaine température T*. Cette ligne de pseudogap, mise en évidence initialement par RMN [1], apparaît dans la région sous-dopée du diagramme de phase, c’est-à-dire pour des dopages inférieurs à celui où la température critique est maximale (voir figure 1). Si cette ligne de pseudogap est assez bien définie pour les faibles dopages, on trouve dans la littérature deux diagrammes de phase différents, suivant la façon dont elle se termine en fonction du système étudié et/ou de la technique expérimentale utilisée. Ces deux représentations sont reliées à des interprétations très différentes de l’origine du pseudogap. Dans le premier cas (1-a), la ligne de pseudogap atteint et/ou coupe le dôme supraconducteur au voisinage du dopage optimal et l’état pseudogap est considéré comme une phase différente, voire en compétition avec la supraconductivité ; dans le second (1-b), la phase de pseudogap enveloppe le dôme supraconducteur et est interprétée comme un état précurseur de l’état supraconducteur, les paires supraconductrices isolées se formant à T* alors que la cohérence de phase macroscopique entre les paires n’intervient qu’à la température critique de supraconduction Tc.  
 

14 novembre 2012

contact: F. Ladieu

 

Lorsqu’il est trempé sous sa température de transition vitreuse Tg, un verre se met à vieillir : ses propriétés se mettent à dépendre de son âge ta, c’est-à-dire du temps écoulé depuis le franchissement de Tg. Comme les verres forment une très vaste catégorie (verres à vitres, polymères, colloïdes, bouteilles en plastiques…), ce phénomène de vieillissement concerne a priori un grand nombre de nos matériaux « du quotidien ». En dépit de son ubiquité, le vieillissement est pourtant fort mal compris, en particulier du fait d’absence de consensus sur ce qui se produit microscopiquement lors du vieillissement. Nous avons réussi à montrer [1], pour la première fois, que le vieillissement s’accompagne d’un accroissement du nombre de molécules dont les mouvements sont corrélés : ceci permet de mieux caractériser par quels aspects le verre, en dessous de Tg, est un solide, et par quels aspects il reste néanmoins un liquide.


 

Il est bien difficile de comprendre pourquoi, lorsqu’ils sont refroidis, certains liquides « ratent » la cristallisation à la température prévue Tm et restent dans un état de liquide surfondu. En poursuivant le refroidissement, cet état liquide voit sa viscosité (ou son temps τα de relaxation moléculaire) augmenter vertigineusement, c’est-à-dire plus vite qu’une loi d’Arrhénius. Ceci suggère que des corrélations entre molécules existent à des échelles de plus en plus vastes lorsqu’on diminue la température T. Pourtant aucun changement de structure ne peut se lire dans les spectres de diffusion des neutrons ou des rayons X qui restent globalement inchangés entre Tm et Tg, où Tg est la température de transition vitreuse définie par τα=100s.

Au cours des 15 dernières années, on a peu à peu compris que le moyen le plus simple de percevoir les corrélations vitreuses était de les rechercher dans les mouvements des molécules (et non pas dans leurs positions ou leurs orientations) : il est apparu plausible que la relaxation dans un liquide surfondu se fasse par paquets de Ncorr molécules dont les mouvements sont corrélés les uns aux autres. Un peu comme dans un métro bondé à l’heure de pointe, où les mouvements individuels sont impossibles et où seuls les mouvements de groupes d’individus sont permis (comme celui permettant de sortir du wagon en arrivant à destination !). Cependant, en mettant des ordres de grandeur raisonnables sur cette idée, on estime que Ncorr peut valoir 100 à Tg, ce qui correspond à une longueur typique de quelques nanomètres, extrêmement difficile à filmer ! Par ailleurs, ces corrélations étant d’un type nouveau, elles ne sont pas reliées à la fonction de corrélation usuelle à deux points et, en utilisant le théorème de Fluctuation Dissipation, elles ne sont donc pas reliées non plus à la fonction de réponse linéaire χlin usuelle (définie plus bas). On était donc devant une double difficulté (pratique et théorique) pour détecter et étudier les corrélations vitreuses.

Fort heureusement, un travail théorique de J.-P. Bouchaud et G. Biroli a établi que la susceptibilité non linéaire (macroscopique !) χ3 était directement proportionnelle à Ncorr. Plus précisément si l’on applique un champ (électrique) au liquide de fréquence f, sa réponse (polarisation) s’écrit P = χlinE+ χ3E3, et selon la prédiction précitée χ3(f,T) ~ Ncorr(T)*H(f/fα(T)) où fα(T)=1/τα(T) et où  la fonction H a une forme en cloche décrite sur le bas de la figure 1. La fonction H ne dépendant pas de la température T, même si elle n’est pas analytiquement connue pour un liquide donné, on peut, en mesurant χ3 à différentes fréquences et températures, avoir accès à l’évolution relative de Ncorr avec T : c’est ce que nous avons fait dans les références [2-3] à l’équilibre (T>Tg), ce qui a permis de montrer que, au-dessus de Tg, Ncorr augmente significativement dans le Glycérol lorsqu’on diminue T vers Tg. Ceci pourrait être l’origine microscopique du comportement super-Arrhénien de τα.

Nous sommes parvenus à pousser ces mesures de χ3 jusque dans le régime vieillissant, où après une trempe en Température de T>Tg à T<Tg les propriétés évoluent en fonction de l'âge ta introduit plus haut. La quantité qui domine le vieillissement est τα, qui augmente avec l'âge ta. Ceci produit un décalage des spectres de χlin et de χ3 vers les basses fréquences avec l’âge, décalage qui s’arrête au bout du temps teq où le système atteint son équilibre et où le vieillissement est terminé. En mesurant à fréquence f fixée, on enregistre  donc une diminution de χlin et de χ3 lorsque l’âge augmente (flèche verte vers le bas). Toute l’astuce consiste à comparer finement le vieillissement de χlin et de χ3 : comme χlin ne dépend pas de Ncorr –contrairement à χ3- cette différence donne directement le vieillissement de Ncorr. C’est ainsi que nous avons obtenu les données de la figure 2, dans laquelle on a : δ =Ncorr(ta)/Ncorr(eq). On voit donc que Ncorr augmente avec l’âge du système, avant d’atteindre sa valeur d’équilibre. Le fait que δ ne dépende pas de la fréquence de mesure (différentes couleurs sur la figure) est un test important de la cohérence de notre approche.

25 juin 2012

La turbulence d'un liquide conducteur permet l'émergence spontanée d'un champ magnétique par effet dynamo. Nous présentons la première mise en évidence expérimentale d’un champ magnétique spatialement localisé, engendré par cet effet dynamo.

Ce résultat a été obtenu dans l’expérience VKS (Von Karman Sodium), dans laquelle du sodium fondu est agité par 2 turbines. L'effet est observé lorsque celles-ci tournent à des vitesses de rotation légèrement différentes au-delà d’un seuil critique. Cette localisation forte du champ magnétique, déjà observée dans les dynamos astrophysiques, est en bon accord avec la prédiction d’un modèle couplant des modes magnétiques dipolaire et quadripolaire.  

 

22 mars 2012
Yutaka Sumino 1, Ken H. Nagai2, Yuji Shitaka3, Dan Tanaka4, Kenichi Yoshikawa5, Hugues Chaté6 and Kazuhiro Oiwa3,7

(french version English version)

L'émergence d'un ordre au sein d'une assemblée d'objets en interaction est toujours fascinante à étudier. L'observateur est alors face à de nombreuses questions sur l'origine profonde de cet ordre et les conditions de son apparition. Il est ainsi observé l'apparition de mouvements collectifs à deux dimensions de filaments polymériques déplacés par des moteurs moléculaires. Par une étude statistique du phénomène, il a été possible de remonter aux interactions élémentaires à l'échelle moléculaire responsables de cette organisation. Ce résultat, publié dans la revue Nature, montre que, dans le cas présent d'objets biologiques, des interactions locales simples peuvent être à l'origine de phénomènes émergeants complexes.

 

13 mars 2012
Les matériaux fragiles comme le verre se cassent par propagation de fissures. Pour prévoir leur comportement à la rupture il faut notamment connaître l'énergie mécanique dépensée et la vitesse d'avancée de la fissure et comprendre les facteurs dont elles dépendent. Jusqu’à présent un consensus s'était établi pour une vitesse limite de l'ordre de la vitesse des ondes acoustiques de surface dans le matériau (vitesse de Rayleigh). Des chercheurs des laboratoires SVI (CNRS- St Gobain) et LTDS-Lyon associés au CNRS, et de l'IRAMIS/SPCSI du CEA, viennent de démontrer que cette vitesse limite est en fait 4 fois plus faible ! Les ruptures plus rapides sont possibles du fait de la rencontre de multiples micro-fissures prenant naissance au niveau des défauts du matériau. Ce résultat est l'objet d'un article publié dans PNAS.

 

06 mars 2012
P.P. Cortet, E. Herbert, A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, V. Padilla

 

Contact: F. Daviaud

 

En étudiant la réponse d’un écoulement pleinement turbulent à une brisure de symétrie de son forçage, sur une gamme de nombre de Reynolds, Re, allant de 150 à 106,  nous avons récemment mis en évidence pour Re = 40 000 une transition de phase analogue à la transition para-ferromagnétique. De plus, cette transition est associée à un maximum de l'amplitude des fluctuations de la symétrie de l'écoulement et correspond à des brisures intermittentes et spontanées  de symétrie entre différents états métastables.

 

Les transitions de phase sont un phénomène omniprésent dans les systèmes physiques et sont généralement associées à des brisures de symétries. La symétrie gouverne également la transition vers la turbulence: lorsque le nombre de Reynolds augmente, une succession de bifurcations brise les diverses symétries de l'écoulement laminaire. À grand nombre Reynolds, il est couramment admis que toutes les symétries brisées sont statistiquement restaurées et l’on peut se demander si cet écoulement turbulent ne peut pas être lui-même le siège de bifurcations entre différents états moyens, qui pourraient être interprétées en termes de transition de phase.

13 mars 2012
Les matériaux fragiles comme le verre se cassent par propagation de fissures. Pour prévoir leur comportement à la rupture il faut notamment connaître l'énergie mécanique dépensée et la vitesse d'avancée de la fissure et comprendre les facteurs dont elles dépendent. Jusqu’à présent un consensus s'était établi pour une vitesse limite de l'ordre de la vitesse des ondes acoustiques de surface dans le matériau (vitesse de Rayleigh). Des chercheurs des laboratoires SVI (CNRS- St Gobain) et LTDS-Lyon associés au CNRS, et de l'IRAMIS/SPCSI du CEA, viennent de démontrer que cette vitesse limite est en fait 4 fois plus faible ! Les ruptures plus rapides sont possibles du fait de la rencontre de multiples micro-fissures prenant naissance au niveau des défauts du matériau. Ce résultat est l'objet d'un article publié dans PNAS.

 

06 mars 2012
P.P. Cortet, E. Herbert, A. Chiffaudel, F. Daviaud, B. Dubrulle, V. Padilla

 

Contact: F. Daviaud

 

En étudiant la réponse d’un écoulement pleinement turbulent à une brisure de symétrie de son forçage, sur une gamme de nombre de Reynolds, Re, allant de 150 à 106,  nous avons récemment mis en évidence pour Re = 40 000 une transition de phase analogue à la transition para-ferromagnétique. De plus, cette transition est associée à un maximum de l'amplitude des fluctuations de la symétrie de l'écoulement et correspond à des brisures intermittentes et spontanées  de symétrie entre différents états métastables.

 

Les transitions de phase sont un phénomène omniprésent dans les systèmes physiques et sont généralement associées à des brisures de symétries. La symétrie gouverne également la transition vers la turbulence: lorsque le nombre de Reynolds augmente, une succession de bifurcations brise les diverses symétries de l'écoulement laminaire. À grand nombre Reynolds, il est couramment admis que toutes les symétries brisées sont statistiquement restaurées et l’on peut se demander si cet écoulement turbulent ne peut pas être lui-même le siège de bifurcations entre différents états moyens, qui pourraient être interprétées en termes de transition de phase.

 

Retour en haut