CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Faits marquants 2015

21 septembre 2015
Yannick Dappe

Contrôler le courant qui passe dans une molécule en l’étirant, c’est ce que viennent de démontrer des équipes de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay et de l’Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Chimie des Polymères. Dans des travaux publies dans Journal of Physical Chemistry Letters, ces chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de moduler la conductance électrique dans un fil moléculaire en l’allongeant à l’aide d’une pointe STM. Ce travail ouvre des perspectives fantastiques dans le domaine de l’électronique moléculaire contrôlée mécaniquement.

 

La miniaturisation de l’électronique passe par la caractérisation du transport des électrons dans des systèmes de plus en plus proches de l’échelle ultime que constitue l’atome. En ce sens, l’étude de fils moléculaires comme composants ultimes représente un défi scientifique prometteur pour l’électronique de demain. Si la capacité de ces systèmes à transmettre le courant électrique a été largement démontrée au cours des dernières années, le contrôle de ce courant pour la fabrication de composants électroniques à l’échelle moléculaire demeure un vaste terrain d’exploration. Un nouveau pas vient d’être franchi dans cette direction par le travail commun de trois équipes, celles de Guillaume Schull, Yannick Dappe et Fabrice Mathevet, respectivement chercheurs CNRS à l’IPCMS, au SPEC et à l’IPCMCP.

A l’aide de la pointe d’un microscope électronique à effet tunnel (STM), ces chercheurs ont réussi à « attraper » un brin de polythiophène (molécule organique constituée d’hydrogène, de carbone et de soufre), et à le décoller de la surface d’or sur lequel il était déposé, constituant ainsi une jonction moléculaire entre la surface et la pointe. Ils ont ensuite enregistré les variations de conductance électrique de cette jonction en fonction de la rétractation de la pointe du microscope. Ce faisant, une tension mécanique est exercée sur le fil moléculaire, qui est alors étiré, donnant lieu à de fortes variations de conductance. Intuitivement, on pourrait penser que plus la longueur de fil entre la surface et la pointe est importante, plus la conductance sera affectée et diminuera. Or ce qui est observé expérimentalement est bien différent, puisqu’au cours du processus d’étirement de la molécule, on assiste à des augmentations spectaculaires de conductance.

Afin de comprendre l’origine physique de ce phénomène, des simulations numériques basées sur la résolution des équations de la mécanique quantique ont été réalisées. La méthode utilise la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), qui permet de déterminer itérativement l’énergie des électrons du système, en supposant que chaque électron interagit avec les autres à travers un potentiel moyen dit potentiel d’échange-corrélation. A partir de cette énergie, on obtient les forces entre les atomes, et la résolution des équations du mouvement détermine la nouvelle position de ces atomes. Le processus est répété de façon à minimiser ces forces, afin d’obtenir la configuration d’équilibre du système.

Un système constitué de quelques couches d’or, d’une molécule de polythiophène et d’une pointe pyramidale en or a donc été considéré. Il a fallu ensuite considérer l’équilibre de cette configuration, et recalculer cet équilibre après déplacement de la pointe, pour reproduire l’expérience d’élongation de la molécule par la pointe STM. Ce processus est illustré en Figure 1a. Pour chaque configuration d’équilibre, l’énergie du système a été déterminée, ainsi que sa conductance électrique, toutes deux représentées en Figure 1 b) et c).

A partir de ces calculs, il a été possible de déterminer certains paramètres déterminants dans la variation du courant à travers la jonction moléculaire. Ainsi, entre deux sauts de conductance, la molécule se tend entre la surface et la pointe, jusqu’à ce qu’un nouveau monomère de la jonction (Figure 1 d)) se décroche de la surface, réduisant ainsi la tension sur le fil.

19 octobre 2015

Depuis sa découverte le graphène suscite un intérêt considérable du fait de ses propriétés électriques, optiques et mécaniques exceptionnelles. Il se présente aujourd’hui comme l’un des nano-objets les plus prometteurs dans de nombreux domaines d'applications allant de l'électronique à la production et au stockage d’énergie. Au-delà de l’obtention de graphène en grande quantité et à bas coût, la qualité des feuillets de graphène et de leur assemblage sont bien entendu déterminants pour garantir les performances des dispositifs. Ces 3 conditions forment un pré-requis indispensable aux développements industriels.

Une nouvelle méthode de formation de films ultra-minces d'oxyde de graphène a été développée et optimisée par une équipe de l'IRAMIS. Cette méthode est basée sur le transfert d'un film d'eau stabilisé par des tensioactifs et contenant les nano-objets à assembler. La qualité structurale des films et du traitement de réduction du graphène, ainsi que les propriétés optiques et électriques obtenues ont été caractérisées. Les résultats montrent que les électrodes réalisées sont particulièrement performantes. Des cellules solaires prototypes basées sur des hétérojonctions silicium/carbone ont pu être élaborées par ce procédé, qui présente plusieurs avantages indéniables du point de vue de sa simplicité et de la qualité du produit obtenu.

 

Plusieurs voies permettent d’obtenir du graphène. Le graphène obtenu par clivage mécanique (c'est à dire par la méthode historique dite "d'exfoliation au scotch") est d’excellente qualité et a permis les principales avancées scientifiques. Cependant, cette technique n'est pas transposable à grande échelle. Récemment, la croissance de graphène par CVD (chemical vapor deposition) sur surface métallique a fait d'immenses progrès et permet d'obtenir des feuillets de grande qualité et de superficie croissante. Par ailleurs, les voies reposant sur l’exfoliation en voie humide du graphite, composé abondant sur Terre, sont considérées comme les plus adaptées à l’obtention de graphène en très grande quantité et à moindre coût. Mais malgré les progrès récents, l’exfoliation directe du graphite en solution aqueuse ou organique mène généralement à l’obtention de feuillets multicouches et de très faibles dimensions.

Il existe une autre voie pour obtenir en grande quantité ces feuillets carbonés (Figure 1). Cette voie repose sur une première étape d’oxydation du graphite qui entraîne une fonctionnalisation des plans de graphène par des groupements oxygénés. Cette fonctionnalisation se traduit par une augmentation de la distance entre les plans et confère au matériau un caractère hydrophile particulièrement utile. La combinaison de ces deux propriétés facilite grandement l’exfoliation du graphite oxydé en milieu aqueux, et permet d’obtenir des feuillets monocouches d’oxyde de graphène en suspension dont la surface est bien plus grande que lors de l’exfoliation directe du graphite. En tant que métériau isolant, l’oxyde de graphène a des utilisations directes en nanochimie ou en biologie, mais il est nécessaire de le réduire pour recouvrer des propriétés physiques et électriques intéressantes, se rapprochant des propriétés du graphène.

21 septembre 2015
Yannick Dappe

Contrôler le courant qui passe dans une molécule en l’étirant, c’est ce que viennent de démontrer des équipes de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg, du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay et de l’Institut Parisien de Chimie Moléculaire, Chimie des Polymères. Dans des travaux publies dans Journal of Physical Chemistry Letters, ces chercheurs ont démontré expérimentalement et théoriquement la possibilité de moduler la conductance électrique dans un fil moléculaire en l’allongeant à l’aide d’une pointe STM. Ce travail ouvre des perspectives fantastiques dans le domaine de l’électronique moléculaire contrôlée mécaniquement.

 

La miniaturisation de l’électronique passe par la caractérisation du transport des électrons dans des systèmes de plus en plus proches de l’échelle ultime que constitue l’atome. En ce sens, l’étude de fils moléculaires comme composants ultimes représente un défi scientifique prometteur pour l’électronique de demain. Si la capacité de ces systèmes à transmettre le courant électrique a été largement démontrée au cours des dernières années, le contrôle de ce courant pour la fabrication de composants électroniques à l’échelle moléculaire demeure un vaste terrain d’exploration. Un nouveau pas vient d’être franchi dans cette direction par le travail commun de trois équipes, celles de Guillaume Schull, Yannick Dappe et Fabrice Mathevet, respectivement chercheurs CNRS à l’IPCMS, au SPEC et à l’IPCMCP.

A l’aide de la pointe d’un microscope électronique à effet tunnel (STM), ces chercheurs ont réussi à « attraper » un brin de polythiophène (molécule organique constituée d’hydrogène, de carbone et de soufre), et à le décoller de la surface d’or sur lequel il était déposé, constituant ainsi une jonction moléculaire entre la surface et la pointe. Ils ont ensuite enregistré les variations de conductance électrique de cette jonction en fonction de la rétractation de la pointe du microscope. Ce faisant, une tension mécanique est exercée sur le fil moléculaire, qui est alors étiré, donnant lieu à de fortes variations de conductance. Intuitivement, on pourrait penser que plus la longueur de fil entre la surface et la pointe est importante, plus la conductance sera affectée et diminuera. Or ce qui est observé expérimentalement est bien différent, puisqu’au cours du processus d’étirement de la molécule, on assiste à des augmentations spectaculaires de conductance.

Afin de comprendre l’origine physique de ce phénomène, des simulations numériques basées sur la résolution des équations de la mécanique quantique ont été réalisées. La méthode utilise la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), qui permet de déterminer itérativement l’énergie des électrons du système, en supposant que chaque électron interagit avec les autres à travers un potentiel moyen dit potentiel d’échange-corrélation. A partir de cette énergie, on obtient les forces entre les atomes, et la résolution des équations du mouvement détermine la nouvelle position de ces atomes. Le processus est répété de façon à minimiser ces forces, afin d’obtenir la configuration d’équilibre du système.

Un système constitué de quelques couches d’or, d’une molécule de polythiophène et d’une pointe pyramidale en or a donc été considéré. Il a fallu ensuite considérer l’équilibre de cette configuration, et recalculer cet équilibre après déplacement de la pointe, pour reproduire l’expérience d’élongation de la molécule par la pointe STM. Ce processus est illustré en Figure 1a. Pour chaque configuration d’équilibre, l’énergie du système a été déterminée, ainsi que sa conductance électrique, toutes deux représentées en Figure 1 b) et c).

A partir de ces calculs, il a été possible de déterminer certains paramètres déterminants dans la variation du courant à travers la jonction moléculaire. Ainsi, entre deux sauts de conductance, la molécule se tend entre la surface et la pointe, jusqu’à ce qu’un nouveau monomère de la jonction (Figure 1 d)) se décroche de la surface, réduisant ainsi la tension sur le fil.

14 décembre 2015

La spectroscopie par Résonance de Spin Electronique (ESR) permet de déterminer la concentration et les propriétés des espèces paramagnétiques présentes dans un échantillon, ce qui en fait un outil d’analyse important pour la biologie et la chimie. La sensibilité des spectromètres les plus performants à l’heure actuelle ne permet cependant pas de détecter moins de 107 spins en une expérience, ce qui limite l’applicabilité de la méthode à des échantillons macroscopiques.

Comme le rapporte dans un article de Nature Nanotechnology une collaboration de chercheurs autour de l'équipe quantronique du SPEC,  Il est possible d’améliorer de 4 ordres de grandeur cette sensibilité en utilisant des techniques issues de la recherche sur les circuits supraconducteurs, permettant ainsi la détection de seulement 2 000 spins en une expérience et ouvrant la voie à la spectroscopie ESR de nano-échantillons.

L'objectif final ? Dans le cadre du projet ERC porté par Patrice Bertet : "Pousser la sensibilité de la méthode à sa limite quantique ultime", c’est-à-dire détecter un unique spin électronique ! Outre la possibilité d’effectuer la spectroscopie ESR de molécules uniques, ceci constituerait un tout premier pas vers le développement d’un processeur quantique à base de spins individuels intriqués et mesurés par des circuits électriques supraconducteurs.

 

20 avril 2015
C. Janvier, L. Tosi, L. Bretheau, P. Senat, P.F. Orfila, Ç. Ö. Girit, M. Stern, P. Bertet, P. Joyez, D. Vion, D. Esteve, M. F. Goffman, H. Pothier, C. Urbina, Groupe Quantronique

Localisés dans tout lien faible entre deux éléments supraconducteurs, des états électroniques bien spécifiques, appelés états d’Andreev, sont présents au sein du gap supraconducteur. Ces états sont observés par exemple dans les expériences réalisées avec des contacts à un seul atome entre deux électrodes supraconductrices. Par un dispositif original, où la boucle supraconductrice et son lien faible sont couplés à un résonateur microonde, il est possible d'exciter et suivre les populations dans une superposition de ces états. L'observation des oscillations de Rabi entre l'état fondamental et le premier état excité d'Andreev, ainsi que la mesure du temps de cohérence du système apportent la démonstration que le système constitue un nouveau type de qubit supraconducteur.

 

Les états d’Andreev
Les états d’Andreev apparaissent dans les supraconducteurs inhomogènes : dans un vortex, à proximité d’une impureté magnétique, ou dans un lien faible entre deux supraconducteurs. Dans ces situations, la phase du supraconducteur, propriété macroscopique de la fonction d’onde qui décrit l’état quantique de tous les électrons de conduction, varie alors en fonction de la position. Cette inhomogénéité de la phase conduit à une frustration de la supraconductivité et les électrons au niveau de Fermi gagnent une énergie inférieure au gap supraconducteur Δ lors de la transition supraconductrice. On obtient des états localisés, appelés états d’Andreev. L’excitation d’énergie minimale correspond à une énergie inférieure à 2D,  qui est l’énergie minimale pour casser une paire dans un supraconducteur homogène (1,2). Le cas le plus simple est celui d’un lien faible très court, qu’on obtient dans nos expériences en fabriquant un contact à un atome entre deux électrodes supraconductrices formant une boucle (Fig. 1). La différence de phase entre les supraconducteurs de part et d’autre du contact est contrôlée en  appliquant un flux magnétique dans la boucle. Le nombre maximum d’états d’Andreev dépend uniquement du nombre de canaux de conduction, qu’on arrive à réduire à essentiellement un seul dans un contact à un atome. En excitant avec un photon microonde l’état d’Andreev depuis son état fondamental |g> (ground state), on accède à un autre état localisé |e> (excited state).

07 avril 2015

Pour améliorer le traitement efficace et rapide de l'information au cœur des dispositifs hyperfréquences, la recherche fondamentale fournit de nouvelles pistes à explorer : spintronique, plasmonique, magnonique… autant de termes qui aujourd'hui désignent des méthodes avec lesquelles il peut être possible de stocker, traiter et relire l'information codée dans des états de spin, les oscillations de charges dans un cristal (plasmons) ou encore celles de l'aimantation d'un matériau magnétique (ondes de spin ou "magnons").

Au sein d'une collaboration de chercheurs européens, l'équipe du LNO du SPEC vient de montrer qu'il est possible de moduler le temps de relaxation des ondes de spin dans un matériau ferromagnétique isolant, par un courant continu d'électrons dans un métal adjacent [1]. Pour obtenir ce résultat l'équipe a utilisé un dispositif en couches minces et de dimensions latérales réduites. Ce processus est l'inverse, de celui mis en évidence par des chercheurs japonais en 2010 (production d'une tension électrique continue, induite par la relaxation de magnons à l'interface isolant ferromagnétique / métal) [2].

04 septembre 2015

Les comportements d'imitation constituent la clé de voute de très nombreux phénomènes collectifs observés dans les groupes animaux. Pour comprendre le rôle de ces comportements et leurs conséquences à l’échelle d’un groupe, des chercheurs du CNRS, du CEA, des Universités d’Aberdeen, de Nice et de Toulouse ont analysé les déplacements collectifs de troupeaux de moutons en pâturage. Ces derniers alternent des phases de dispersion lentes avec des phases de regroupement très rapides au cours desquelles les moutons imitent le comportement de leurs voisins. Ces travaux, publiés dans PNAS, montrent que ces regroupements sont similaires à des phénomènes d’avalanches intermittentes sans échelle caractéristique d’amplitude. Ils montrent également que l’intensité avec laquelle les moutons s’imitent joue un rôle clé dans la capacité d’un troupeau à maximiser la surface de pâturage explorée tout en minimisant le temps nécessaire pour se regrouper.

20 février 2015

La turbulence dans un fluide est un phénomène familier, qui se caractérise par la présence de tourbillons de toutes tailles et un comportement désordonné et imprédictible. Losrqu’on augmente le nombre de Reynolds (Re), grandeur sans dimension donnée par le rapport entre forces d'inertie et forces visqueuses, on distingue différents régimes d'écoulement, depuis l'écoulement laminaire, puis chaotique jusqu'à l'état pleinement turbulent, dans lequel on observe une cascade d’énergie des grandes échelles d’injection à l’échelle de dissipation (cascade de Kolmogorov).

De nouvelles expériences modèles d'études de la turbulence, réalisées par l'équipe SPHYNX de l'IRAMIS/SPEC, ont permis de mettre en évidence de façon inattendue un comportement chaotique dans le régime de turbulence développée (i.e. à très grand nombre de Reynolds),. Ce résultat inattendu, conduit à nous interroger sur l'origine des situations d'intermittence que l'on observe en météorologie, dans les océans ou les turbines industrielles.

 

09 mai 2015

L'utilisation des propriétés de spin de l'électron a permis de révolutionner le traitement de l'information, en particulier par la conception de capteurs magnétiques à magnétorésistance géante de très haute sensibilité. Au-delà de ces capteurs constitués de couches minces magnétiques séparées par une interface, de nouveaux systèmes, pouvant permettre une plus grande intégration ou une plus grande sensibilité méritent d'être explorés.

Parmi les systèmes qui permettent de polariser en spin le courant électronique, un polymère purement organique et non-magnétique ne semble a priori pas être le candidat idéal. Pour autant, c’est ce que viennent de démontrer des chercheurs du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA Saclay). Dans des travaux théoriques publiés dans Nano Letters, cette équipe a montré la possibilité de fabriquer un filtre à spin quasi-parfait en utilisant un simple brin de molécule organique (une molécule de polythiophène) connectée entre deux électrodes ferromagnétiques. Cette démonstration repose sur de simples considérations de symétrie entre les fonctions d’ondes des électrodes et de la molécule. Ce résultat ouvre désormais une nouvelle voie pour la conception et l’élaboration de filtres à spins pour l’électronique moléculaire de spin.

 

09 mai 2015

L'utilisation des propriétés de spin de l'électron a permis de révolutionner le traitement de l'information, en particulier par la conception de capteurs magnétiques à magnétorésistance géante de très haute sensibilité. Au-delà de ces capteurs constitués de couches minces magnétiques séparées par une interface, de nouveaux systèmes, pouvant permettre une plus grande intégration ou une plus grande sensibilité méritent d'être explorés.

Parmi les systèmes qui permettent de polariser en spin le courant électronique, un polymère purement organique et non-magnétique ne semble a priori pas être le candidat idéal. Pour autant, c’est ce que viennent de démontrer des chercheurs du Service de Physique de l’Etat Condensé de Saclay (SPEC, UMR 3680 CNRS/CEA Saclay). Dans des travaux théoriques publiés dans Nano Letters, cette équipe a montré la possibilité de fabriquer un filtre à spin quasi-parfait en utilisant un simple brin de molécule organique (une molécule de polythiophène) connectée entre deux électrodes ferromagnétiques. Cette démonstration repose sur de simples considérations de symétrie entre les fonctions d’ondes des électrodes et de la molécule. Ce résultat ouvre désormais une nouvelle voie pour la conception et l’élaboration de filtres à spins pour l’électronique moléculaire de spin.

 

 

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