CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé


06 juin 2014
Maxime Rioult, Hélène Magnan, Dana Stanescu et Antoine Barbier - Laboratoire des Interfaces et Surfaces d'Oxydes (LISO) - SPEC

Voici presque 4 ans, le groupe Oxydes (LISO) du SPEC s’est lancé le défi d’utiliser son expertise en croissance de films minces d’oxydes afin d’élaborer des matériaux modèles capables de convertir l’énergie solaire en hydrogène. L’enjeu est de taille dans le contexte de crise énergétique que nous traversons car l’hydrogène a l’avantage d’être un puissant carburant, à la fois stockable, propre et recyclable à l’infini. Ici, la clé est d’optimiser les propriétés d’un semi-conducteur qui joue le rôle d’anode dans un processus de production d’hydrogène par photo-électrolyse de l’eau. L’utilisation de techniques de caractérisation parmi les plus avancées, notamment en utilisant le rayonnement synchrotron, permet d’étudier des échantillons modèles, monocristallins, avec une profondeur d’analyse propre à la physique du solide. Il est alors possible de comprendre et de déterminer quels sont les paramètres pertinents pour améliorer la photo-électrolyse de l’eau. Nous avons pu montrer qu’un dopage modeste de l’hématite avec du Ti, en substitution dans la maille, permettait un gain d’un facteur 100 du photo-courant et une augmentation de la longueur de diffusion des porteurs de charge.

17 juin 2014

Des diodes, transistors et autres composants électroniques sans métal, uniquement à base de carbone, seraient-ils possibles ? C’est ce que vient de démontrer une équipe franco-espagnole menée par le Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, URA 2464 CNRS/CEA). Dans des travaux publiés dans Nanoscale, cette équipe a réalisé la première description théorique d’une jonction moléculaire tout carbone, constituée d’une molécule de fullerène connectée à une électrode en graphène. En résolvant les équations de la mécanique quantique, les auteurs  démontrent les propriétés conductrices de la jonction. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique moléculaire entièrement à base de carbone.

 

30 octobre 2014

En information quantique, il est essentiel de connaître complètement l’état quantique de l’objet (photon, électron ou spin) qui porte l’information. Ceci est possible par une procédure, appelée tomographie, qui consiste à mesurer la fonction d’onde par tranches successives. La tomographie est une procédure aujourd'hui bien connue pour un photon. Elle consiste à mélanger celui-ci avec le faisceau intense d'un laser (i.e. un champ intense de photons) et à observer les interférences qui en résultent. Cette méthode ne peut s'appliquer à un fermion, car il n'existe pas l'équivalent du champ intense de photons (l’amplitude d’un champ quantique de fermion est limitée, chaque état accessible étant occupé au plus par un seul fermion). La tomographie d’un électron unique itinérant dans un conducteur demande ainsi le développement d'une méthode originale.

Les chercheurs du SPEC au CEA Saclay, en collaboration avec le LPN CNRS pour les échantillons fournis, ont réussi à atteindre la sensibilité de mesure ultime permettant la première tomographie d’un électron [1]. Pour tester cette mesure, les électrons à tomographier ont été générés sous forme de "lévitons" [2] dont la fonction d’onde bien comprise a pu être comparée aux mesures de bruit en courant révélant l’interférence de lévitons avec un champ de fermion obtenu par un petit courant électronique alternatif appliqué au conducteur. Ces résultats ouvrent la voie à la caractérisation d’états quantiques plus complexes et sont une avancée importante pour des "qubits volants", support d'information quantique, portés par des électrons dans des conducteurs quantiques.

 

03 octobre 2014

Si le transport électrique usuel nous est familier (tension, courant, résistance électrique, …), les phénomènes de transport de charge dans un conducteur quantique suivent des lois probabilistes bien différentes. A très basse température, cet aspect probabiliste et le caractère individuel des charges conduit à l'apparition d'un bruit spécifique, appelé "bruit de grenaille". Le passage  des charges "une par une" peut conduire à des excitations électroniques, mais aussi, par effet d'antenne, à des excitations du champ électromagnétique externe au conducteur. Cette excitation du champ agit à son tour par rétroaction sur le transport électronique. D’un point de vue formel, cette rétroaction apparaît comme la conséquence des fluctuations quantiques de la  tension aux bornes de la jonction.

La compréhension de ce couplage matière-rayonnement dans les circuits électriques est une étape cruciale pour l’élaboration de dispositifs exploitant le caractère quantique du transport électronique. Les groupes "Nanoélectronique" et "Quantronique" du SPEC, en collaboration avec le Laboratoire de Physique du Solide de l'Univ. Paris-Sud, ont franchi une étape importante dans cette direction en établissant de façon théorique et expérimentale l’effet de l’environnement électromagnétique sur la dynamique du transfert de charge dans une jonction tunnel.

03 juin 2014

Le futur ordinateur quantique aura besoin d’une mémoire quantique capable de stocker l’état de centaines de bits quantiques, possiblement intriqués, sur des temps très longs. Nous cherchons à réaliser ce nouveau type de dispositif quantique en utilisant un large ensemble de centres NV dans le diamant (NV pour Nitrogen-Vacancy : impuretés, constituées par un atome d’azote et une lacune d'azote dans le réseau cristallin du diamant). Ces centres possèdent un spin dont le temps de cohérence peut atteindre une seconde, ce qui en fait un milieu de stockage idéal de l’information quantique. Pour bénéficier de ces longs temps de cohérence, il est impératif d’intégrer des séquences d’écho de spins dans les protocoles de mémoire quantique, ce qui est particulièrement difficile expérimentalement.

Notre expérience récente [1] est la première à montrer que que cet objectif peut être atteint, avec l'observation d'échos de spins sur un ensemble de centres NV à des températures cryogéniques, avec des impulsions micro-ondes d’ultra-faible puissance (jusqu’à 100 femtoWatts) et la réinitialisation des centres NV par pompage optique. Ces résultats ouvrent la voie à la réalisation d’une mémoire quantique opérationnelle à base d’ensemble de spins pour les qubits supraconducteurs.

 

Depuis plus de 10 ans, le groupe Quantronique au SPEC est engagé dans un programme de recherche visant à réaliser un nouveau type de calculateur fonctionnant selon les règles de la mécanique quantique : un « ordinateur quantique ». Dans ce nouveau type de machine, l’information n’est plus portée par des « bits » pouvant prendre deux états différents (0 ou 1), mais par des « bits quantiques » ou qubits, dont l’état quantique s’écrit comme une superposition de deux états de base, les états |0> et |1>. Comme la mécanique quantique autorise n’importe quelle superposition d’états à plusieurs qubits, un ordinateur quantique bénéficie d’un parallélisme massif qui le rend plus efficace dans certaines tâches qu’un ordinateur classique équivalent. Le groupe Quantronique a par exemple mis en oeuvre récemment un algorithme élémentaire plus efficace que n’importe quel algorithme classique équivalent, en utilisant un processeur quantique élémentaire à 2 qubits supraconducteurs à base de jonctions Josephson [1].

18 décembre 2014

En 2010, des chercheurs japonais ont prouvé que du moment magnétique de spin pouvait être échangé entre l'aimantation d'un matériau ferromagnétique isolant et les électrons de conduction d'un métal normal adjacent [1]. En théorie, ce transfert de spin permet de contrôler électroniquement la relaxation de la couche magnétique, mais aucune expérience concluante n'a été réalisée depuis.

En mesurant précisément la largeur de raie dans le système hybride YIG | platine, il a pu être montré que le temps de relaxation du grenat d'Yttrium Fer (YIG) peut être réduit ou augmenté en fonction de la polarité du courant injecté dans le platine, couvrant une variation d'un facteur cinq [2].

 

La découverte qu'un courant pur de spin peut  être transféré d'une couche magnétique isolante à une couche métallique adjacente, et vice versa, ouvre de nouvelles perspectives [1]. En particulier, cela permet d'incorporer des matériaux tels que le YIG, connu pour ses propriétés hyperfréquences inégalées, dans les dispositifs innovants de la spintronique. Même si ce matériau magnétique est isolant, il est en effet possible de détecter électriquement sa dynamique. En précessant à la fréquence de résonance, son aimantation perd du moment angulaire à l'interface avec le métal adjacent, qui offre un canal de relaxation pour l'aimantation dynamique : c'est le pompage de spin. S'il existe un couplage spin-orbite dans ce métal, comme dans le platine, ce courant de spin est converti en courant de charge par effet Hall de spin inverse, ce qui permet sa détection. Ce mécanisme est maintenant bien établi [3, 4, 5]. L'effet réciproque, à savoir le transfert d'un courant de spin – généré par effet Hall de spin dans le platine – dans la couche de YIG, n'a pas été reproduit depuis les premiers signes expérimentaux de compensation de la relaxation dans le YIG [1]. Un des problèmes récurrents des études expérimentales jusqu'ici est l'utilisation de couches épaisses de YIG (> 1 µm), alors que l'effet recherché est de nature interfaciale, donc prépondérant dans les couches ultra-minces. Un autre problème est l'utilisation d'échantillons de grande taille latérale (~ mm), où plusieurs ondes de spin quasi-dégénérées entrent en compétition vis-à-vis de la même source de moment angulaire, ce qui pourrait auto-limiter le phénomène et empêcher le démarrage d'auto-oscillations dans le YIG [6].

 

Il est possible d'isoler un seul mode dynamique susceptible d'absorber le courant de spin injecté, en réduisant fortement les dimensions latérales du YIG, afin de séparer en énergie les différentes ondes de spin [7]. Pour cela, il a pu être tiré parti des récents progrès dans la croissance de couche ultra-minces de YIG épitaxiales par ablation laser pulsé, obtenus par nos collègues de l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales [3]. Grâce à une technique de microscopie en champ proche développée au Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes du SPEC [8], les variations spectrales, induites par le courant injecté dans le platine d'un disque de YIG(20 nm)|Pt(7nm) de 5 microns de diamètre (figure 1), ont pu être étudiées.

01 août 2014
La fonctionnalisation du graphène est un sujet qui connait un intérêt croissant car elle peut permettre soit d’ajouter une propriété conférée par la molécule adsorbée, soit de modifier les propriétés électroniques du substrat, le graphène. Les chercheurs de l’Institut parisien de chimie moléculaire (CNRS/UPMC) en coopération avec des équipes du Service de physique de l’état condensé - SPEC (URA CNRS/CEA), de l’Institut Charles Gerhardt du CNRS, de l’Institut Néel du CNRS ont développé une nouvelle stratégie permettant d’offrir pour la première fois une plate-forme polyvalente en vue de la fonctionnalisation non-covalente à façon du graphène. Sa mise en œuvre aisée (en solution et température ambiante) et sa reproductibilité permettent d’envisager des dispositifs réalisés par techniques d’impression comme des (photo)transistors, capteurs etc… Ces travaux sont parus dans la revue Angewandte chemie international edition le 22 juillet 2014.

09 avril 2014
Collaboration entre l'IRAMIS/SPEC du CEA et le Centre de Recherches sur la Cognition Animale (UMR 5169, UPS - CNRS)

 

En collaboration avec des biologistes et physiciens du Centre de Recherches sur la Cognition Animale de Toulouse, l'équipe de Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC/SPHYNX) a construit puis étudié un modèle permettant de simuler numériquement la dynamique collective d'un banc de poissons. Contrairement aux nombreux autres modèles proposés dans la littérature pour l’étude des mouvements collectifs d’espèces grégaires (souvent intéressants pour le théoricien mais peu réalistes), ce modèle a été élaboré après avoir longuement analysé le comportement de poissons en bassin et ainsi identifié la nature des interactions entre individus. Il prédit l’existence de différentes phases dynamiques collectives (de type « essaim », « banc » ou « vortex »), en accord avec les observations expérimentales. Les résultats montrent que le passage d’une phase à une autre est déterminé par la vitesse des poissons et leur tendance à rester proches les uns des autres (interaction attractive) en pointant dans une même direction (interaction d’alignement).

17 juin 2014

Des diodes, transistors et autres composants électroniques sans métal, uniquement à base de carbone, seraient-ils possibles ? C’est ce que vient de démontrer une équipe franco-espagnole menée par le Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, URA 2464 CNRS/CEA). Dans des travaux publiés dans Nanoscale, cette équipe a réalisé la première description théorique d’une jonction moléculaire tout carbone, constituée d’une molécule de fullerène connectée à une électrode en graphène. En résolvant les équations de la mécanique quantique, les auteurs  démontrent les propriétés conductrices de la jonction. Cette avancée ouvre de nouvelles perspectives dans le domaine de l’électronique moléculaire entièrement à base de carbone.

 

05 février 2014

La course à la miniaturisation des diodes électroluminescentes (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED) vient sans doute de franchir l’étape ultime : une équipe menée par l’Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), en collaboration avec l’UPMC et le CEA, vient de réaliser la première LED composée d’une seule molécule. Ce dispositif est formé d’un brin unique de polythiophène placé entre la pointe d’un microscope à effet tunnel et une surface en or. Il émet de la lumière seulement lorsque le courant passe dans un certain sens. Ce tour de force expérimental permet de mieux comprendre les interactions entre électrons et photons aux plus petites échelles. Il constitue par ailleurs un pas de plus vers la réalisation de composants pour un futur ordinateur moléculaire. Ces travaux viennent d’être publiés dans Physical Review Letters.

 

 

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