Les "derechos" sont des orgages violents avec un front d'avancée s'étendant sur plus de 100 km en longueur et des vents en rafales dépassant généralement les 100 km/h . Ils se déplacent rapidement en ligne droite sur une distance à l'échelle d'un continent, d'où leur appellation empruntée à l'espagnol signifiant "tout droit". Plus fréquents aux États-Unis (de l'ordre d'une quinzaine d'événements annuels), leur occurence augmente en Europe avec la transition cimatique comme le montre l'étude statistique menée par une collaboraiton de chercheurs du SPEC/SPHYNX et du LSCE.
Un événement récent a mis en lumière la menace bien réelle que les évènements "derecho" peuvent aujourd'hui présenter pour les européens : dans la nuit du 17 au 18 août 2022, une ligne de grains orageux s'est formée près des îles Baléares, se déplaçant rapidement vers le nord-est et touchant la Corse, l'Italie, la Slovénie, l'Autriche, puis la République tchèque en seulement 12 heures. Les rafales de vent atteignant jusqu'à 225 km/h en Corse ont entraîné la mort de 12 personnes et blessé 106 autres, et causé d'importants dégâts matériels. Une étude récente, réalisée par une équipe rassemblant des chercheurs du SPEC/SPHYNX et du LSCE, a identifié et analysé pour la première fois l'occurrence des derechos en France, en particulier pendant la "saison chaude" de mai à septembre. Entre 2000 et 2022, 38 événements de ce type ont pu être recensés, avec une fréquence moyenne de 1.7 événements par an, soit de l'ordre de 5 événements tous les 3 ans. Ces orages touchent presque tout le territoire français, mais leur fréquence est plus élevée dans le nord-est et l'est du pays, avec des évènements qui concernent aussi souvent la Suisse, le Benelux et l’Allemagne. Cette étude contribue ainsi à mieux caractériser le risque associé à ces événements météorologiques extrêmes en France et en Europe.
Trajectoire (à gauche) et occurence (à droite) des 38 évènements "derecho" identifiés, qui se sont produits entre 2000 et 2022. (© Davide Faranda, LSCE - IPSL)
De plus, l'étude explore la relation entre les derechos et le changement climatique. Les conditions atmosphériques, telles que l'instabilité de l'atmosphère et le cisaillement vertical des vents, sont examinées pour évaluer le potentiel des situations météorologiques à produire des orages intenses. Les résultats montrent une augmentation nette de l'instabilité atmosphérique dans la période récente. Ce mécanisme, qui induit une intensification potentielle des orages, est relié à : l’augmentation de la chaleur et de l'humidité dans les basses couches de l'atmosphère, qui résulte des émissions de gaz à effet de serre d'origine anthropique et qui peut également être influencée par la variabilité naturelle du climat, liée à l'oscillation atlantique multidécennale (OAM, cycle de 20 à 50 ans de la température de surface de l'Atlantique Nord). un changement dans la configuration des vents, principalement dû à la variabilité naturelle du climat. Référence : Analysing 23 years of warm-season derechos in France: a climatology and investigation of synoptic and environmental changes, Fery, L. and Faranda, D., Weather Clim. Dynam. 5 (2024) 439–461. Voir l'actualité du CNRS - Terre et Univers : "Première estimation de la fréquence des derechos, un type d’orages violents, en France "Voir également l'article d'Audrey Garric du Journal Le Monde : "Climat : les « derechos », des méga-orages avançant tout droit, risquent de frapper plus intensément la France". Contacts : Lucas Fery (SPEC/SPHYNX et LSCE - IPSL) Davide Faranda (LSCE - IPSL) Bérangère Dubrulle (SPEC/SPHYNX)
La spintronique est une discipline qui vise à remplacer la charge par le spin des électrons dans des dispositifs de l’électronique et des technologies de l’information. Son principe repose sur la manipulation de courants d’aimantation (de spin) qui peuvent remplacer avantageusement les courants de charges électriques trop consommateurs d’énergie. La stratégie ici est donc de transformer la puissance électrique en courants aimantés, puis de reconvertir en charge l’information contenue dans le magnétisme après son processing par des portes logiques. Par conséquent, l’inter-conversion spin/charge constitue une brique essentielle de ces technologies. Pour ce faire, les mécanismes connus reposent sur le couplage entre les spins et les charges en mouvement, appelé interaction spin-orbite. Jusqu'à présent, le mécanisme le plus fiable est l'effet Hall de spin, observé principalement dans les éléments métalliques lourds comme le Pt ou le W. Un autre type d’interaction couplant spin et orbite, appelé spin galvanique ou effet Edelstein, est basé sur l’effet Rashba dans des gaz bidimensionnels d’électrons. Elle résulte de l’action sur les électrons, d’un champ électrique intrinsèque aux interfaces entre deux matériaux. Le meilleur système à ce jour s'avère être le liquide électronique 2D créé par la discontinuité polaire à l’interface de deux isolants LaAlO3 et SrTiO3.
Figure 1: Structure des bandes électroniques 'Rashba' montrant les textures de spin chirales (flèches bleues et rouges).
L'explication globalement acceptée de l’effet Edelstein repose sur l’existence d’un champ magnétique effectif perpendiculaire à la trajectoire des électrons, qui fixe la position de leur spin. On observe alors une texture chirale en spin dans la structure en bandes électroniques des interfaces (Fig. 1). Toutefois, la faiblesse du couplage spin-orbite dans ces matériaux est incompatible avec l’amplitude des variations résistives sous champ magnétique mesurées dans des échantillons de type LaAlO3/SrTiO3. En fait, des prédictions théoriques récentes émettent l’hypothèse que les effets liés au spin pourraient être les conséquences indirectes d’un effet dominant d’origine orbitalaire, c’est-à-dire directement dans la chiralité des trajectoires électroniques. Par conséquent, afin de mettre en évidence l’importance de ces effets orbitalaires, il est nécessaire de trouver comment discriminer les textures d’orbitales et de spins des bandes électroniques de ces états d’interface. Nos prédictions théoriques montrent que l’interface LaAlO3/SrTiO3 présente des structures de bandes dont les textures de spin et orbitalaires (figure 2a) sont fondamentalement différentes, la première montrant une forte symétrie d’ordre quatre dans le plan du gaz d’électrons alors que la seconde reste presque isotrope. Expérimentalement, nous avons choisi de mesurer la conversion en charge d’un moment angulaire injecté dans l'interface, appelé effet Edelstein inverse (figure 2b). Son principe repose sur la mesure de la tension électrique générée par une population hors équilibre de moment angulaire des électrons de l’interface Rashba, une propriété intimement liée à la nature des textures des bandes électroniques. L’injection est réalisée par l’extraction d’un moment angulaire net d’une couche ferromagnétique adjacente via une technique appelée ‘effet Seebeck de spin’. Un champ magnétique permet alors de faire tourner dans le plan de l’échantillon la direction du moment angulaire tout en mesurant la dépendance de la tension résultante. Les résultats mettent en évidence que deux contributions participent de manière presque égale (et opposée) : celles liées au spin et à l’orbitale. Lorsqu’on prend en compte les conditions de l’injection en considérant l’inefficacité (liée au matériau magnétique) de la production d’un moment angulaire qui soit principalement orbitalaire, ces mesures montrent que la texture orbitalaire est environ 10 fois plus efficace que celle du spin dans les phénomènes de conversion en charge. Nous mettons donc le doigt ici sur l’importance des effets orbitalaires dans le couplage Rashba de cette interface. Ces résultats ouvrent la porte à une utilisation plus large des effets purs du moment angulaire orbital et confirment le potentiel du degré de liberté orbitalaire pour le stockage et le traitement de l’information.
Figure 2 : a) Prédictions théoriques de l’anisotropie de la conversion en charge dans le plan du gaz 2D. b) Mesures expérimentales et c) somme (différence) des deux contributions théoriques, en tenant compte de l’inefficacité de l’injection, reproduisant bien la symétrie observée dans l’expérience.
Contacts CEA : Jean-Yves Chauleau et Michel Viret (SPEC/LNO) Référence : Observation of the inverse Orbital Rashba-Edelstein effect, Anas El Hamdi, Jean-Yves Chauleau, Margherita Boselli, Clémentine Thibault, Cosimo Gorini, Alexander Smogunov, Cyrille Barreteau, Stefano Gariglio, Jean Marc Triscone and Michel Viret, Nature Physics 19(12) (2023) 1855.
Active particles can form two-dimensional crystals that are different from those formed by passive particles in equilibrium, showing extreme spontaneous deformation at large scales without melting.
Two-dimensional crystals have long fascinated theorists, but there exist many experimental realizations of them, such as electrons at the surface of Helium and colloidal particles with repulsive pair interactions confined at an interface, even though they are rather fragile and only exhibit quasi long-range positional order due to fluctuations. The theorists’ fascination largely lies in the tour-de-force found in a series of papers published in the 1970s by “Kosterlitz, Thouless, Halperin, Nelson, and Young”. KTHNY theory demonstrates that 2D crystals do have long-range order, but for the orientation of the bonds linking neighboring particles, so that the melting of 2D crystals can occur in two steps. When continuous, these two transitions are of the Kosterlitz-Thouless type, i.e. present infinite-order singularities. The first transition marks the loss of positional order due to the unbinding of pairs of dislocations, leaving a phase with only quasi-long-range bond order. KTHNY theory also predicts that the decay exponent characterizing the quasi-long-range positional order in the crystal, which increases continuously with temperature, cannot be larger than 1/3. KTHNY theory is not expected to hold out of thermal equilibrium, although some recent papers makes this claim in the context of ‘active’ particles, i.e. particles embodied with an intrinsic physical axis along which they move, and which thus cannot turn instantaneously. In a recent Physical Review Letters [1] paper highlighted in Physics Magazine, Hugues Chaté and colleagues from Suzhou, China, demonstrated that 2D crystals of active particles can in fact exhibit extremely large deformation without melting, with the exponent taking essentially unbounded values. This is a stunning proof that KTHNY theory does not hold out of equilibrium, at least at the quantitative level. Chaté et al. trace back the possibility of large deformations to the time-persistence of the intrinsic axis of active particles. Thus a crystal of passive particles that would be subjected to persistent fluctuations introduced by an ‘active bath’ will also be extremely deformable and yet deprived of free defects. These results could find applications in macroscopic mechanical metamaterials made of active elements that would resist large deformations without affecting the material’s integrity. Figure : (Left) In equilibrium, a two-dimensional system of particles stabilizes into an ordered structure that resembles a crystal lattice, though that order becomes less clearly defined on longer length scales. (Center) These active systems stabilize into an ordered solid-like phase but with extremely large fluctuations around a perfect crystal lattice, as shown by Shi and co-workers [1]. (Right) Contour lines trace the enormous displacements about the lattice derived from the team’s numerical simulations. Displacements can be as large as several of the lattice sites depicted in the sketch. In the figure, brightness indicates displacement magnitude and color orientation.
Reference: [1] Extreme Spontaneous Deformations of Active Crystals Xia-qing Shi, Fu Cheng, and Hugues Chaté Phys. Rev. Lett. 131 (2023) 108301 – Published 5 September 2023 Contact CEA : Hugues Chaté SPEC/SPHYNX.
Une collaboration de physiciens a réalisé un nouveau type de bit quantique supraconducteur à basse fréquence (MHz au lieu du GHz) dont la sensibilité aux charges électriques est à même de permettre le contrôle et la mesure de l’état quantique d’un micro-résonateur mécanique. Le dispositif fournit un composant qui peut permettre des avancées sur une physique nouvelle mêlant gravitation et mécanique quantique.
Détecter les vibrations quantiques d'un résonateur mécanique, ou même préparer un tel objet massif dans un état de superposition quantique où il occupe simultanément deux positions distinctes, nécessite de pouvoir mesurer et contrôler le système avec un dispositif lui-même quantique, comme un qubit supraconducteur. Les qubits, développés pour l’information quantique, seraient bien adaptés, s’ils ne fonctionnaient pas à des fréquences largement supérieures (quelques GHz) à celles des micro-résonateurs mécaniques de type MEMs développés en laboratoire, dont la fréquence de résonance est de l'ordre du MHz. En améliorant un dispositif nommé fluxonium, une collaboration de physiciens a réussi à fabriquer un qubit supraconducteur fonctionnant à la même fréquence que ces micro-résonateurs mécaniques. Il est également montré que ce fluxonium est également un capteur de charge électrique de très haute sensibilité. Pouvoir ainsi réduire la fréquence des qubits supraconducteurs d’un facteur 1000, et utiliser leur sensibilité extrême aux fluctuations de charges électriques, permet d'obtenir un élément déterminant pour de futures expériences sur des systèmes quantiques massifs. Un tel capteur pourrait permettre des avancées sur une physique nouvelle mêlant gravitation et mécanique quantique. Les qubit supraconducteurs sont un système de choix comme support d’information dans l'industrie quantique. Ce sont des systèmes dont le composant de base est une jonction Josephson, réalisée avec deux couches de matériaux supraconducteurs séparées par une couche d'oxyde métallique isolante, à travers laquelle les électrons peuvent passer par effet tunnel. Ces systèmes transitent entre deux états discrets, lorsqu’ils sont excités à une fréquence spécifique. Dans les qubit supraconducteurs appelés transmons, utilisés dans les ordinateurs quantiques industriels (Google, IBM, Amazon,…), ces transitions se produisent dans la gamme des micro-ondes (quelques GHz), proche de la fréquence des signaux des téléphones cellulaires. Or les résonateurs mécaniques à même de stocker de l’information quantique pendant de longues durées ont une fréquence mille fois inférieure (gamme du MHz). Dans ce travail, des chercheurs ont réussi à étendre les limites opérationnelles d'un qubit en dessous de 2 MHz. Le système réalisé s’appelle fluxonium lourd. Il est constitué d’une jonction Josephson, d’un condensateur (électrodes métalliques séparées par un isolant), et d’une superinductance. Ce dernier composant est la clef du dispositif car il permet de supprimer les bruits électriques à ces basses fréquences, omniprésents dans l’environnement et très problématiques dans les systèmes quantiques de ce type. Il est constitué d’une chaîne de 360 jonctions Josephson, produisant une inductance de 2 µH sur une surface de seulement 0.002 mm². Les deux états discrets de ce qubit correspondent à des "courants permanents", parcourant la boucle supraconductrice dans un sens ou dans l’autre. La différence d’énergie entre ces deux états est ajustable et fonction de la valeur du champ magnétique externe appliqué à la boucle. De plus, à une valeur spécifique du champ magnétique, les états du qubit consistent en une superposition de type "chat-de-Schrödinger" des deux états de courant permanents de sens opposé. A ce point de fonctionnement, ce travail démontre que le qubit présente une sensibilité très importante à un champ électrique appliqué. Figure : (a) Schéma électrique équivalent du fluxonium. La superinductance est représentée en bleu, la jonction Josephson est représentée en rouge, et le condensateur en vert. (b) Image au microscope électronique à balayage (MEB) du circuit. L’image est colorisée avec le même code couleur que pour (a). (c ) Zoom sur la superinductance et sur la jonction Josephson.
Ainsi, outre sa fréquence très basse, le fluxonium réalisé dans ce travail est un capteur de charge électrique dont la sensibilité égale celle des meilleurs systèmes existants. La sensibilité atteinte est de 33 µe/Hz1/2, ce qui signifie qu'en une seconde il peut détecter une variation de charge électrique de 33 millionièmes d'électron. Cette avancée cruciale pourrait alors être exploitée pour détecter les vibrations quantiques d'un micro-résonateur mécanique (sorte de micro-membrane de tambour) porteur de charges électriques et oscillant au voisinage du fluxonium, les deux systèmes étant couplés par couplage capacitif. À moyen terme, en combinant la sensibilité extrême de ce circuit à une modulation de charge électrique, et sa basse fréquence de fonctionnement, il est envisageable de préparer un micro-tambour, dans une superposition quantique pour laquelle la membrane du tambour occupe simultanément deux positions distinctes. Comme cet objet possède une masse, il est à l’origine d’un champ gravitationnel, dont on ignore encore aujourd'hui l'origine profonde. Ce travail ouvre ainsi la voie à la réalisation d'expériences susceptibles d'élucider ce débat séculaire autour de l’une des principales questions non résolues de la physique quantique moderne.
Référence : High-sensitivity AC-charge detection with a MHz-frequency fluxonium qubit. Baldo-Luis Najera-Santos, Rémi Rousseau, Kyrylo Gerashchenko, Himanshu Patange, Angela Riva, Marius Villiers, Tristan Briant, Pierre-François Cohadon, Antoine Heidmann, José Palomo, Michaël Rosticher, Hélène le Sueur, Alain Sarlette, William Clarke Smith, Zaki Leghtas, Emmanuel Flurin, Thibaut Jacqmin & Samuel Deléglise, Phys. Rev. X 14 (2024) 011007. Voir également le "highlight" de l'éditeur de "Physics Magazine" : "Superconducting qubit breaks low-frequency record". arXiv preprint arXiv:2307.14329 Voir l'actualité CNRS : "Un qubit supraconducteur comme capteur ultrasensible dans le domaine radiofréquence". Contact CEA-SPEC : Emmanuel Flurin et Hélène Le Sueur, IRAMIS/SPEC/GQ Collaboration : Sorbonne Université, Laboratoire Kastler Brossel, CNRS, ENS, Université PSL, et Collège de France, Université Paris-Saclay, Équipe Quantronique du SPEC (CEA), UMR CEA-CNRS Equipe Quantic (INRIA), LPENS (ENS, Sorbonne Université, Université PSL, CNRS) Alice&Bob Ce travail a été réalisé grâce au financement du projet ANR Mecaflux (2021-2025), coordonné par Samuel Deléglise (Laboratoire Kastler Brossel), partenariat entre l'Inria de Paris, le LPENS Laboratoire de physique de l'ENS, le LKB - Laboratoire Kastler Brossel et le SPEC Service de physique de l'état condensé.
Spin-orbit coupling offers many possibilities for converting spin signals into charge ones and vice versa. In particular, charge currents may be generated by pure spin injection via the spin galvanic effect -- the conversion of a non-equilibrium spin accumulation into a charge current. In certain settings, and notably in a novel generation of oxide-based experimental setups, spin injection takes place through an inversion symmetry-broken tunnel junction. Quantum coherent processes taking place under such barrier give rise to an anisotropic, non-local and (only apparently) non-reciprocal charge current generation.
A key concept in spintronics is that of "spin-charge interconversion". In simple terms, this means the generation of electric currents by injecting spin angular momentum into a metallic systems, or vice versa. The interconversion arises from spin-charge correlations due to spin-orbit coupling, and may take place in very different settings, e.g. transition metals, doped semiconductors, the conducting surfaces of 3D topological insulators or the two-dimensional electron gases (2DEGs) existing at some oxide interfaces. Charge currents are typically generated via the inverse spin Hall effect and the spin galvanic effect. In the first case the electric current appears in response to a transverse pure spin current -- the flow of spin angular momentum without any associated charge flow. In the second one it is a consequence of a non-equilibrium spin accumulation. Now consider the standard spin pumping setup sketched in Fig. 1: the top magnetic electrode (M) is driven, and its precessing magnetisation injects angular momentum -- but no charge -- into the underlying metallic system, where spin-orbit coupling converts it into a measurable voltage drop between two other electrodes (L and R). If the receiving system (orange layer) is two-dimensional the injected spin cannot flow away from the magnet but simply accumulates in the two-dimensional layer: there is no spin Hall effect, and only spin galvanic conversion is possible.
Figure 1: Spin pumping setup.
The injection process itself is however non-trivial, as it happens through the inversion-asymmetric magnetic tunnel junction (gray layer) separating the top electrode from the 2DEG. To describe such a generalised spin galvanic conversion one has to consider the full spin-active structure, consisting of the magnetic injector, asymmetric tunnel barrier and spin-orbit coupled 2DEG The key point is that under-the-barrier transmission is not only spin-sensitive, but also skewed in momentum space -- "up" electrons tunnel better "going left", while "down" electrons do so "going right". This is a consequence of spin-orbit coupling within the barrier and on the 2DEG side, furthermore affected by the presence magnetism. Since the internal spin-orbit field is anisotropic, conversion should also be so. Indeed, the LNO group at SPEC recently measured a strongly anisotropic conversion in the 2DEG at the LaAlO3|SrTiO3 interface, carrying imprints of the internal effective spin-orbit field. This contrasts however with the known fact that the Onsager reciprocal phenomenon -- the generation of a non-equilibrium spin accumulation by driving a current -- is isotropic in the very same kind of systems. To explain such an anisotropic response, and to clarify the apparent breakdown of Onsager reciprocity, we developed a theory of spin-charge conversion for multi-terminal setups in which a driven magnetic electrode acts as a pure spin injector -- so that only spin angular momentum but no net charge flows through the tunnel barrier and into the underlying spin-orbit coupled 2DEG. The theory respects by construction Onsager constraints, and allows to identify a spin-charge conversion channel mixing skew-tunneling and standard spin galvanic physics which we dubbed "tunneling anisotropic spin galvanic effect". The general theory was tested in a model system for a LaAlO3|SrTiO3 spin pumping setup, see Fig. 2, validating certain phenomenological arguments describing the experiments and establishing that the anisotropic spin-charge conversion is robust to impurity scattering.
Figure 2: Multi-terminal spin-charge conversion setup. The charge current induced by spin pumping in the 4 in-plane electrodes (F, B, L, R) is shown as a polar plot in panels (b) and (c) as a function of the disorder strength K0. The anisotropic shape is robust to disorder. The 2DEG is non-magnetic in (b) and magnetic (Δxc ≠ 0) in (c), which is reflected in the different Fermi circle shapes (blue curves in side insets).
References : Tunneling anisotropic spin galvanic effect, G. Fleury, M. Barth, C. Gorini, Phys. Rev. B 108, L081402 (2023) Contact CEA : Cosimo Gorini, Modeling and Theory Group (SPEC/GMT) Collaboration : • Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC), UMR 3680 CEA-CNRS, Université Paris-Saclay • Institute of Theoretical Physics, University of Regensburg, Germany
L’utilisation de l’hydrogène H2 comme vecteur d’énergie propre est l’un des axes technologiquement viables aujourd’hui1. L’hydrogène peut être produit par photoélectrolyse de l’eau : une réaction d’électrolyse utilisant des électrodes activées par la lumière solaire. L’hématite, très abondante sur Terre, est un matériau photosensible permettant de fabriquer des anodes pour ce type de réaction. Par des méthodes simples, comme le recuit sous atmosphère contrôlée d’azote, des scientifiques du SPEC, de la ligne HERMES et de l’ICPMS ont réussi à améliorer la production d’hydrogène par les photoanodes à base d’hématite. Les instruments de mesure de pointe de la ligne de lumière HERMES permettent de comprendre l’origine de cette amélioration et ouvrent la voie vers des approches simples, abordables et efficaces, visant l’optimisation des matériaux pour les cellules de photoélectrolyse de demain.
L’hématite, Fe2O3, peut être employée pour la production d’hydrogène par dissociation de l’eau, dans une réaction de photoélectrolyse. En effet, une bonne partie de l’énergie consommée dans un électrolyseur2 peut être substituée par l’absorption directe de la radiation solaire en utilisant des anodes photosensibles, comme l’hématite. La bande interdite de cet oxyde semiconducteur est de 2,1 eV, correspondant à l’énergie de la lumière solaire visible. Lors de l’absorption de cette lumière, une paire électron-trou est générée dans l’hématite : l’électron réduira l’eau à la cathode (HER), tandis que le trou oxydera l’eau à l’anode (OER). Le photocourant ainsi généré est proportionnel à la quantité de molécules de H2 produites. Il devrait atteindre en théorie 12 mA/cm2 pour un potentiel de 1,23 V. En pratique, le photocourant ne dépasse pas quelques centaines de µA. Le responsable principal est le libre parcours moyen3 des trous qui est extrêmement réduit dans l’hématite, de l’ordre de 2 à 4 nm. Pour franchir cet obstacle, diverses techniques d’ingénierie de bandes électroniques sont employées, plus ou moins complexes, toutes visant à modifier les propriétés électroniques de l’hématite. Dans le cadre d’une étude commune, des scientifiques du Service de Physique sur l’État Condensé (SPEC : UMR CEA – CNRS) à l’Orme des Merisiers, de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS : UMR CNRS – Université de Strasbourg) et de la ligne HERMES de SOLEIL, ont déterminé l’origine de l’amélioration des performances des photoanodes à base d’hématite dopées avec du Ti, synthétisées sous atmosphère contrôlée d’azote. La synthèse se fait en 2 étapes : la première permet d’obtenir de l’akaganéite, Fe3+O(OH,Cl) dopée au Ti, sous forme d’un tapis constitué de nanobâtonnets sur des substrats de FTO4par croissance chimique en phase aqueuse suivant un processus hydrothermal. Pendant la 2ème phase, les échantillons sont recuits à 600 °C menant à une transformation de phase vers l’hématite. C’est le contrôle de l’atmosphère de recuit (air ou azote) lors de cette 2ème étape qui permet une amélioration des performances. Cette étude se démarque notamment par l’utilisation complémentaire de l’ensemble de méthodes expérimentales disponibles sur la ligne HERMES. Le XPEEM (microscopie X de photoémission d’électrons), en détectant uniquement les électrons qui proviennent des couches atomiques les plus en surface du matériau analysé, permet de séparer les informations liées à la composition et à la coordination chimique provenant de cette surface de celles provenant du volume des échantillons. Pour cela les chercheurs ont mis à profit une approche détournée liée à la géométrie spécifique du microscope XPEEM : la « shadow XPEEM ». Les résultats montrent, dans le cas de l’hématite dopée Ti recuite sous atmosphère d’azote, la ségrégation en surface d’une phase riche en Ti et la formation des nouveaux états électroniques correspondant à des états de surface (Figure 1).
Figure 1 : Résultats XPEEM obtenus par comparaison entre des échantillons recuits à l’air (a) et sous azote (b), suivant le code couleur : rouge – signal de volume (ombre), vert – signal de fond du support en or, et bleu – signal de surface. Les spectres d’absorption de rayons X correspondants démontrent la formation d’une phase enrichie en Ti à la surface des échantillons recuits sous azote (c), tandis que les volumes présentent des spectres très similaires.
La microscopie X par transmission à balayage (en anglais « Scanning transmission X-ray microscopy » STXM) a été utilisée en complément des mesures XPEEM pour préciser la localisation spatiale de cette phase riche en Ti, en permettant de sonder sur des épaisseurs de matériau allant jusqu’à quelques centaines de nanomètres. Il a été possible de mettre en évidence des régions de quelques dizaines de nanomètres dont la signature spectrale différente de celle de l’hématite dopée Ti démontre la présence d’une coordination chimique spécifique à une phase de type pseudo-brookite (Fe2TiO5 ou FeTi2O5).
Figure 2 : gauche – image présentant la corrélation STEM/ptychographie, avec mise en évidence des clusters de pseudo-brookite (flèches bleues) à la surface d’un nanobâtonnet d’hématite dopée Ti (flèches rouges) ; droite – schéma des nanobâtonnets d’hématite et bandes électroniques (états plein et états vides) sondés par absorption de rayons X.
La spectro-ptychographie a quant à elle permis d’atteindre des meilleures résolutions et de localiser plus précisément les clusters de pseudo-brookite. La sensibilité de l’approche est remarquable : elle permet de différencier 2 phases contenant du Ti et présentant un décalage en énergie de seulement ~0.1 eV pour le pic à 457,5 eV (Film 1). C’est la démonstration directe de la puissance des méthodes spectro-microscopiques, un cas d’école où la sensibilité à la coordination chimique permet d’améliorer la résolution spatiale. L’étude montre qu’en jouant sur l’atmosphère de recuit, un paramètre physico-chimique simple, il est possible d’ajuster finement l’interface hématite/électrolyte à échelle nanométrique pour une amélioration nette de l’activité lors du processus de dissociation de l’eau. Figure 3 (spectro-PTYCHO_S1.mp4) : Résultat hyperspectral en mode transmission de spectro-ptychographie obtenu au seuil d’absorption de Ti (1ère partie du film, spectres 456,5-468,5 eV) et O (2ème partie, spectres 529-535 eV). Grâce à la forte sensibilité spectrale de cette technique, les clusters de pseudo-brookite apparaissent très contrastés au maximum de leur absorption (partie « surface », à 457,5 eV).
Film associé à la figure 3
Figure 3: (spectro-PTYCHO_S1.mp4) : Résultat hyperspectral en mode transmission de spectro-ptychographie obtenu au seuil d’absorption de Ti (1ère partie du film, spectres 456.5-468.5 eV) et O (2ème partie, spectres 529-535 eV). Grâce à la forte sensibilité spectrale de cette technique, les clusters de pseudo-brookite apparaissent très contrastés au maximum de leur absorption (partie « surface », à 457.5 eV).
https://www.economie.gouv.fr/industrie-nouvelle-strategie-hydrogene-pour-la-france Un électrolyseur permet de dissocier l’eau utilisant deux électrodes métalliques, l’anode et la cathode, en appliquant une différence de potentiel plus élevée que le niveau redox de l’eau, de 1,23 V. De cette manière de l’oxygène est généré à l’anode et de l’hydrogène à la cathode. Libre parcours moyen : distance sur laquelle une charge peut se déplacer sans subir une recombinaison. FTO : oxyde d’étain dopé avec du Fluor. C’est le substrat de choix pour toutes les applications solaires. Contact CEA-SPEC : Dana Stanescu (SPEC/LNO) Références : Stanescu, S., Alun, T., Dappe, Y.J., Ihiawakrim, D., Ersen, O., Stanescu, D., ACS Applied Materials & Interfaces., 15(22): 26593–26605. (2023). "Scanning transmission X-ray spectromicroscopy: A nanotool to probe hematite nanorods for solar water splitting" Stanescu, S., Stanescu, D., Hitchcock, A., Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena., 265: art.n° 147334. (2023).
La caractérisation d’espèces paramagnétiques au sein d'un échantillon par Spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE, ou en anglais Electron Spin Resonance- ESR) a de multiples applications en chimie, biologie, et même en archéologie et dosimétrie. Cette technique, vieille de 80 ans, consiste à mesurer l’absorption de rayonnement micro-onde par des spins électroniques à leur fréquence de résonance, grâce à un résonateur pour la détection. L'équipe quantronique du SPEC et ses collaborateurs développent depuis 10 ans un programme de recherche visant à utiliser l’extrême sensibilité des circuits supraconducteurs en régime quantique (refroidis à 10 mK) pour effectuer la spectroscopie RPE d’un unique spin. À la suite d’améliorations successives de la sensibilité, cet objectif ultime vient d'être atteint, au moyen d'un compteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur de type transmon.
Le point faible de la spectroscopie RPE est sa sensibilité limitée, qui demande typiquement un milliard de spins au moins pour détecter un signal. Cela empêche d’appliquer la méthode à de petits échantillons, comme des micro-cristaux, des cellules individuelles, et a fortiori à des molécules individuelles. En outre, la fréquence de résonance des spins est en général très sensible à leur environnement électrostatique et magnétique, ce qui fait qu’elle diffère légèrement d’un spin à l’autre. La largeur spectrale d’une raie de résonance RPE est ainsi dominée par cet élargissement inhomogène et peut atteindre plusieurs GHz, limitant ainsi la résolution spectrale atteignable. La manière ultime de surmonter l’élargissement inhomogène consiste à mesurer la réponse de spins individuels, mais cela demande d’inventer une méthode de RPE sensible à un spin unique, compatible avec tous les spins électroniques, et ayant accès à un volume de détection qui ne soit pas trop petit [1]. Le principe de l'expérience est le suivant (voir figure) : un circuit LC micro-onde supraconducteur est fabriqué sur un cristal contenant les spins à détecter. Le courant micro-onde passant dans le fil, qui joue le rôle de l’inductance, génère un champ magnétique qui se couple aux spins les plus proches. L’accord de fréquence sur la résonance d'un spin identifié est obtenu par l'application d’un champ magnétique B0 variable dans le plan de l’échantillon. Une impulsion micro-onde envoyée sur le résonateur excite ce spin, qui relaxe ensuite vers son état fondamental avec un taux de relaxation ΓR, en réémettant un photon micro-onde, qui est alors détecté avec une efficacité 0 < η < 1 par le compteur de photons micro-ondes [2]. Ce dernier n’est cependant pas parfait, et présente un taux de faux positifs α, sous la forme de "coups d’obscurité". Principe de la détection de spins uniques. Des ion Er3+ porteurs d'un spin (en rouge) sont implantés dans un cristal de CaWO4 (en bleu). Par application d’un champ magnétique B0 le spin est accordée à résonance à 7.334 GHz avec le mode d’un résonateur LC (orange) directement fabriqué sur le cristal. Le spin excité par une impulsion relaxe avec un taux ΓR en émettant un photon micro-onde, détecté par un compteur de photons micro-onde basé sur un qubit de type transmon.
Dans une première expérience en 2021 [3], il a été montré que la méthode permettait de détecter un signal issu de ∼104 spins. Pour atteindre la sensibilité nécessaire à la détection d'un seul spin, il faut atteindre un rapport signal sur bruit, tel que le nombre de coups issus du spin à détecter soit au moins du même ordre que le nombre de coups d’obscurité. Une façon d'atteindre cette sensibilité ultime est d'augmenter autant que possible ΓR en optimisant la géométrie du résonateur pour augmenter l’effet Purcell (voir note*) [3,4]. Le système retenu est constitué d'ions erbium Er3+, sélectionnés pour leur fort moment magnétique, et implantés dans un cristal de CaWO4. Enfin, une nouvelle génération de compteur de photons à très bas bruit a été développé, permettant d'atteindre α ∼ 100 s-1, et donc le régime de spin unique ηΓR ≈ α. Pour mesurer le spectre de cet échantillon, le nombre moyen <C> de coups détectés durant les 2 millisecondes qui suivent une impulsion d’excitation est enregistré en fonction du champ magnétique B0 (voir Fig.1b). Un pic large centré à 419.5 mT est observé et qui correspond à la résonance magnétique d’un ensemble d’ions Er3+ :CaWO4 [5], mais aussi une série de pics très étroits qui correspondent chacun à l’émission d’un ion individuel. (b) Spectroscopie RPE : le nombre de coups moyens détectés 〈C〉 par le compteur à la suite de l’impulsion d’excitation est tracé en bleu en fonction du champ B0 : le large pic à 419.5 mT est la résonance RPE de l’ensemble des ions Er3+ (le profil en rouge est un ajustement par une gaussienne). Les pics étroits proviennent d’ions Er3+ individuels dans des environnements différents. En médaillon, est montrée l’émission pour l’un de ces spins, qui présente un taux de relaxation ΓR ∼ 650 s-1.
L'observation des oscillations de Rabi des spins excités et la mesure de leur amplitude donne une mesure de l’efficacité de détection η = 0.12. La preuve qu'un spin individuel est bien détecté, est obtenue par la mesure de la fonction de corrélation g(2)(k) : comme attendu g(2)(k) ∼ 1 lorsque k ≠ 0, et g(2)(0) = 0.2 ± 0.1. Ceci indique qu’il est très peu probable d’obtenir simultanément 2 photons au cours de la même séquence d'excitation microonde, et que les photons détectés proviennent bien d’un unique spin de Er3+ :CaWO4. Fonction d’autocorrélation g(2)(k) corrigée du bruit d’obscurité, k étant le nombre de séquences d’excitation entre deux mesures. La mesure g(2)(k) = 0.2 ± 0.1 prouve que l’émission mesurée au cours d'une seule séquence provient bien d’un spin unique. Ce résultat montre qu'il est aujourd'hui possible de détecter le signal de résonance magnétique de spins électroniques individuels grâce aux circuits supraconducteurs quantiques. La méthode développée est directement applicable à un grand nombre de systèmes, offre un grand volume de détection (10 μm3), et nous rapproche donc de l'objectif d’effectuer la spectroscopie de résonance magnétique sur spin unique de manière opérationnelle. Les recherches se poursuivent en explorant les applications de la méthode au calcul quantique avec plusieurs qubits de spin robustes, ainsi qu’en spectroscopie RPE dans la perspective de mesurer des molécules individuelles. * L'effet Purcell est un effet de couplage entre un émetteur (système à deux niveaux) et les modes de la cavité auquel il est couplé. Lorsque la fréquence de l’émetteur est en résonance avec la cavité, son émission spontanée est exaltée, et le taux d’émission radiative ΓR est donc considérablement augmenté, comparé au même émetteur placé dans l'espace libre hors cavité (dans l'expérience réalisée, le "facteur Purcell" atteint 1015 !).
Références : [1] “Single electron-spin-resonance detection by microwave photon counting”, Z. Wang, L. Balembois, M. Rančić, E. Billaud, M. Le Dantec, A. Ferrier, P. Goldner, S. Bertaina, T. Chanelière, D. Estève, D. Vion, P. Bertet, E. Flurin, arxiv:2301.02653 (2023) - Nature 619, (2023) 276–281. [2] “Irreversible Qubit-Photon Coupling for the Detection of Itinerant Microwave Photons”, R. Lescanne, S. Deléglise, E. Albertinale, U. Réglade, T. Capelle, E. Ivanov, T. Jacqmin, Z. Leghtas, and E. Flurin, Physical Review X 10, 021038 (2020) [3] “Detecting spins by their fluorescence with a microwave photon counter”, E. Albertinale, L. Balembois, E. Billaud, V. Ranjan, D. Flanigan, T. Schenkel, D. Estève, D. Vion, P. Bertet, E. Flurin, Nature 600, 434 (2021) [4] “Controlling spin relaxation with a cavity”, A. Bienfait, J. J. Pla, Y. Kubo, X. Zhou, M. Stern, C. C. Lo, C. D. Weis, T. Schenkel, D. Vion, D. Esteve, J. J. L. Morton, P. Bertet, Nature 531, 74 (2016) [5] “Twenty-three–millisecond electron spin coherence of erbium ions in a natural-abundance crystal”, M. Le Dantec, M. Rančić, S. Lin, E. Billaud, V. Ranjan, D. Flanigan, S. Bertaina, T. Chanelière, P. Goldner, A. Erb, R. B. Liu, D. Estève, D. Vion, E. Flurin, P. Bertet,, Science Advances, 7 (2021) eabj9786, arXiv:2106.14974. Faits marquants antérieurs : RPE : Détection de de la réponse de spins individuels avec un capteur de photon unique (Décembre 2021) Contrôler la relaxation de spin avec une cavité (Février 2016) Contact CEA : Patrice Bertet (SPEC/Quantronique) Collaboration : Quantronics group, Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, SPEC, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France Département de Physique et Institut Quantique, Université de Sherbrooke, Sherbrooke, Québec, Canada Chimie ParisTech, PSL University, CNRS, Institut de Recherche de Chimie Paris, 75005 Paris, France CNRS, Aix-Marseille Université, IM2NP (UMR 7334), Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence, Marseille, France. Univ. Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble INP, Institut Néel, 38000 Grenoble, France
Le verre est un matériau de la vie courante. Le terme désigne aussi toute une classe de solides, verres minéraux, organiques, métalliques..., dont on cherche à mieux définir et mieux comprendre la structure désordonnée, à l'origine de leurs propriétés bien spécifiques. Un verre est généralement issu d'un liquide dont la viscosité augmente lorsque l'on abaisse sa température. Les liquides surfondus, qui se trouvent dans un état liquide métastable sous leur température de cristallisation, voient ainsi leur dynamique à l’échelle moléculaire ralentir fortement lorsqu’ils sont refroidis. Sous la température Tg, dite de transition vitreuse, elle peut devenir si lente que le système apparait alors figé dans cet état hors équilibre, et on parle alors de verre. Aux alentours de Tg, l’évolution des propriétés physiques du liquide qui tend à revenir à son état d’équilibre après avoir été déstabilisé par exemple par un changement de température, caractérise le "vieillissement physique", dont les mécanismes restent aujourd'hui très mal connus. Son étude renseigne sur les mécanismes de relaxation moléculaire. Le temps moyen de relaxation1 τα dépendant très fortement de la température, il a été montré que le vieillisement comporte un aspect non linéaire, dès que les échelons de température (ΔT) dépassent quelques kelvins. Ainsi, lors d'un refroidissement, la relaxation devient de plus en plus lente, au fur et à mesure que le système se rapproche de son état d’équilibre, Un dispositif expérimental original, capable d'appliquer un traitement thermique rapide et de grande amplitude, permet de placer le système dans une situation fortement hors équilibre, pour laquelle le vieillissement se révèle alors très fortement non linéaire.
L’objectif de ce travail est d’étudier expérimentalement la réponse (ou vieillissement physique) d’un liquide modèle placé dans une situation très hors d'équilibre, au-dessus de sa température de transition vitreuse Tg. Une telle situation est difficile à atteindre, car dès que T >Tg, le temps de relaxation diminue très rapidement, le système évolue alors même en cours de chauffage, et il devient de plus en plus difficile de s'éloigner de l'état d'équilibre. Le vieillissement pouvant être observé reste alors trop proche de la situation d'équilibre. Pour cette étude, un nouveau dispositif expérimental (voir fig. 1) a été développé permettant une variation de température de grande amplitude (de 35 à 45 K) et ultra-rapide (60 000 K/s). Il consiste en deux électrodes planes résistives se faisant face et encadrant un film de liquide d'épaisseur micrométrique à la température T0. Dans une configuration "chauffage" un courant électrique traverse chaque électrode, ce qui injecte par effet joule une puissance thermique proche du kW pendant quelques millisecondes. Ceci permet de réaliser un saut de température ΔT, que l'on peut maintenir durant une durée contrôlée tup (< 10 ms, voir fig. 2a). Le volume chauffé étant très faible, l’ensemble et ensuite trempé pour revenir à la température initiale T0 en un temps de l'ordre de 1 s. Dans une configuration dite de "mesure" les deux électrodes constituent également un condensateur, dont la capacité est directement liée aux propriétés diélectriques du liquide. L’utilisation d’un liquide polaire, tel que le glycérol, permet de suivre cette réponse par la mesure de ses propriétés diélectriques (i.e. sa réponse à un faible champ électrique oscillant). La mesure des pertes diélectriques ε" est en effet une quantité permettant de caractériser l'état du système. Le dispositif ne permet cependant pas de mesurer directement cette réponse du liquide lors de la montée ou du maintien en température à T0 + ΔT, celle-ci évoluant alors trop rapidement. Une mesure indirecte peut être cependant obtenue par l'observation de la lente évolution de ε", après retour à T0. Fig 1 : (a) Vue éclaté : (1) les deux électrodes entourant la pièce (2) contenant le film de liquide. (b) Photo du dispositif monté sur son support. À droite, schéma des deux modes de fonctionnement : (c) mesure de capacité et (d) chauffage par effet joule.
Avec ce dispositif, il a été possible de suivre la dynamique du liquide à T0 + ΔT en appliquant le traitement thermique décrit à la figure 2 a) : à partir de la température T0 = 186 K (proche de Tg), un saut de température ΔT de 45 K (où τα(T0 + ΔT) est 108 fois plus court !) en un temps de chauffage trise très court, précède un maintien en température pendant le temps tup. Puis le système est trempé en (t<1s) jusqu'à sa température initiale T0, où l'évolution en temps des pertes diélectriques ε" est mesurée sur plusieurs heures. La figure 2 b) montre que pour les temps tup les plus longs, l'équilibre à T0 + ΔT peut être atteint, et une même évolution de référence ε"ref(t) est obtenue. Pour les valeurs de tup inférieures, l'évolution du système à T0 + ΔT est incomplète, son état reste plus proche de celui d'équilibre à T0, et les courbes ε"(t, tup) restent inférieures à la courbe de référence. Il est alors possible de définir le rapport r(tup) = ε"(t, tup) / ε"ref(t), donnant une mesure du degré d'équilibre atteint à T0 + ΔT : cette quantité r(tup) vaut 1, si le liquide a eu le temps nécessaire pour s'équilibrer à T0 + ΔT, et reste proche de 0, si la relaxation moléculaire n'a pas eu le temps de se produire. Cette mesure de r(tup) est donnée fig. 2 c), en fonction du temps normalisé tup / τα(T0 + ΔT). Fig 2. a) Traitement thermique : zone rouge : chauffage ultra-rapide T0 → T0 + ΔT ; Zone bleu : zone de maintien en température à T0 + ΔT pendant un temps tup ; Zone jaune : trempe (< 1s) de retour à la température d'équilibre initial T0 ; Zone verte : mesure de l'évolution sur ~ 7h (20 000 s) des pertes diélectriques ε" (b) Évolution des pertes diélectriques ε" (t,tup) en fin de trempe. Chaque courbe ε" (t) correspond à un temps de maintien en température tup différent. La courbe asymptote en pointillée rouge indique que le temps tup de maintien en température à T0 + ΔT est suffisant pour que l'équilibre ait été atteint à T0 + ΔT, ce qui n'est pas le cas pour les temps tup inférieurs. c) Le rapport entre la courbe ε"(t,tup) et la courbe asymptotique donne un rapport r qui traduit l'écart à l'équilibre à T0 + ΔT en fonction de tup (un rapport de 1 indique que l'équilibre a été atteint). On observe qu'il faut un temps de l'ordre de 230 x le temps caractéristique τα de retour à l'équilibre en réponse linéaire à T0 + ΔT, pour que le système retrouve son équilibre, après l'excitation thermique initiale rapide et de grande amplitude. Cette courbe montre que le temps nécessaire à la mise à l'équilibre à T0 + ΔT, après le traitement thermique appliqué, est ~230 fois supérieur à τα(T0 + ΔT), temps typique d’e mise à l'équilibre pour une faible excursion hors équilibre (i.e. en réponse linéaire après un faible saut de température < 100 mK). Cette observation n'est valable que si trise est suffisamment court (< 1.5 ms), pour qu’aucune relaxation n’ait lieu durant la phase de chauffage initiale. Avec un chauffage plus lent (trise = 6 ms, courbe verte Fig. 2 c), le système évolue pendant la chauffe, l'écart à l'équilibre à T0 + ΔT est réduit, et l’équilibration est alors plus rapide (~120 τα(T0 + ΔT)). Ce n'est donc que pour les sauts en température élevé et appliqué de façon très rapide, permis par le dispositif expérimental réalisé, que le caractère profondément non linéaire du phénomène de vieillissement physique du liquide est révélé.
Ces expériences permettent de tester les limites des modèles actuels de vieillissement physique des verres lorsque ceux-ci se trouvent très loin de leur état d’équilibre thermodynamique, c’est-à-dire dans une situation où les théories sont encore dépourvues de principes fondamentaux permettant de faire des prédictions générales. Ce nouveau dispositif expérimental, par sa capacité à réaliser des traitements thermiques ultra rapides de verres moléculaires, permet donc l’étude du vaste champ encore très mal connu des mécanismes de relaxation en situation très hors équilibre. Plus particulièrement, on peut espérer pouvoir tester une prédiction numérique très récente sur les nouvelles propriétés mécaniques qui pourraient survenir dans les verres trempés. 1Le temps de relaxation moléculaire est déterminé par la fréquence à laquelle le facteur de perte diélectrique ε"(t,tup) est maximum. Références : Non-linear physical aging of supercooled glycerol induced by large upward ideal temperature steps monitored through cooling experiments Marceau Hénot et François Ladieu; J. Chem. Phys. 158(22) (2023) 224504. Contacts : Contact CEA : Marceau HENOT (SPEC, Groupe SPHYNX).
Le LLB et le SPEC s'équipent d'un four à image pour la croissance de monocristaux par la méthode de fusion de zone flottante. Cet équipement permettra de réaliser des monocristaux orientés de taille centimétrique et de haute pureté chimique, pour l’étude des matériaux quantiques (composés supraconducteurs, multiferroïques ou multifonctionnels...), jusqu’au magnétisme quantique dans des systèmes de basse dimension.
Image © LLB.
Le magnétisme et, au-delà, l'étude des corrélations électroniques est un domaine de prédilection pour revisiter, voire dépasser, les paradigmes de la physique de la matière condensée. Ces dernières années, la recherche en physique du solide s'est de plus en plus tournée vers l'étude de nouveaux états quantiques de la matière, et plusieurs pistes sont explorées : Il est par exemple recherché de s'affranchir du cas classique des systèmes ordonnés (par frustration géométrique notamment) pour obtenir des états quantiques macroscopiques comme les liquides de spin quantiques [1]. On cherche également à modifier les structures de bandes via l’étude de matériaux contenant des ions 4d ou 5d, pour favoriser ou supprimer certaines interactions, comme le couplage spin-orbite (matériaux topologiques, semi-métaux de Weil, Kondo, Kitaev, skyrmions, etc...) [2-3]. Dans d'autres matériaux, les observations mettent en évidence le rôle central des fortes corrélations électroniques, qui semblent être à l'origine de la présence de "boucles de courant", notamment dans les cuprates supraconducteurs, mais aussi dans certaines familles d'iridates ou d'échelles de spin [5]. Dans le cadre del'étude de ces matériaux quantiques, différentes thématiques concernent plusieurs équipes du LLB et du SPEC : les matériaux multiferroïques et plus généralement les matériaux multifonctionnels, le magnétisme quantique, la supraconductivité et plus généralement les matériaux à fortes corrélations électroniques.
Dans ce contexte, disposer du savoir-faire pour la réalisation d'échantillons de bonne qualité et d'une taille suffisante est essentiel. Il s'agit le plus souvent de synthétiser des monocristaux de très haute qualité chimique et cristalline, et les plus gros possibles (i.e. de taille centimétrique), pour permettre leur analyse structurale, chimique et explorer leurs propriétés physiques via des mesures magnétiques, électroniques, thermiques ou encore sur de très grands instruments de recherche, par diffusion neutronique et des rayons X. C'est une des thématiques fortes de l'équipe du SPEC/LNO, tandis que l'équipe du LLB/NFMQ est investie de longue date dans les mesures par diffusion de neutrons ou de rayons X. C'est avec ces objectifs de recherche complémentaires que le SPEC et le LLB s'équipent conjointement d'un four à image pour la croissance cristalline. L'appareil est composé de 4 miroirs portant chacun au foyer objet une lampe halogène (de 300 ou 1000 W), Fig.1.a. La focalisation des faisceaux lumineux émis par les lampes au foyer image permet de former une zone chaude locale (de 6 mm à 1 cm) permettant la fusion du barreau polycristallin. La translation des miroirs, qui définit la vitesse de croissance cristalline (pouvant aller d’une fraction de mm/h à des cm/h) permet le déplacement de cette zone chaude, causant la fusion du barreau entrant dans la zone et recristallisation de la zone fondue par gradient thermique (Fig.1.c). Une sélection thermodynamique de grains s’opère tout au long du processus de cristallogenèse aboutissant, à l’état stationnaire, à un monocristal orienté (Fig .1.d). L'atmosphère autour de la zone de croissance est contrôlée : la croissance peut ainsi avoir lieu sous air, sous atmosphère de gaz neutre (argon) ou d'oxygène ou encore sous pression (jusqu’à 10 bars). Le procédé de croissance par fusion de zone se caractérise par l’absence de creuset, source de contamination externe Fig.1. Cet avantage majeur permet d’aboutir à des monocristaux non seulement de tailles centimétriques mais également de très haute pureté (ou possédant des compositions chimiques contrôlées dont l’importance est, par exemple, démontrée, dans le cas des liquides de spins [2]), Fig.1.e. Cette technique permet également la croissance de composés à fusion non-congruente, i.e. quand la phase liquide produite au point de fusion a une composition chimique différente de celle du solide. L'équipement a été réceptionné le 8 avril. L'appareil commercial (FZ-T-4000-H-VIII-VPO-PC) fabriqué par la Société japonaise Crystal System Corporation permet d'atteindre les plus hautes températures (2200 °C) nécessaires à la fusion de zone de barreaux d'oxydes préalablement préparés par compression hydrostatique, et donc de faire croitre des monocristaux de très haute qualité à partir d'un germe orienté ou d’un support polycristallin.
Références : [1] Disorder and quantum spin ice N. Martin, P. Bonville, E. Lhotel, S. Guitteny, A. Wildes, C. Decorse, M. Ciomaga Hatnean, G. Balakrishnan, I. Mirebeau & S. Petit, Physical Review X 7, 041028 (2017) [2] Impurity-induced spin pseudogap in SrCuO2 doped with Mg, Zn or La D. Bounoua, R. Saint-Martin, S. Petit, P. Berthet, F. Damay, Y. Sidis, F. Bourdarot, & L. Pinsard-Gaudart, Physical Review B 95, 224429 (2017). [3] Topological quantum phase transition in the Ising-like antiferromagnetic spin chain BaCo2V2O8 Q. Faure, S. Takayoshi, S. Petit, V. Simonet, S. Raymond, L-P. Regnault, M. Boehm, J.S. White, M. Månsson, C. Rüegg, P. Lejay, B. Canals, T. Lorenz, S. C. Furuya, T. Giamarchi & B. Grenier, Nature Physics volume 14, pages716–722 (2018) [4] "Loop currents in quantum matter ", P. Bourges, D. Bounoua & Y. Sidis, Comptes Rendus. Physique, 22 (2021) S5. Contacts CEA-IRAMIS : Dalila Bounoua (IRAMIS/LLB UMR 12 CEA-CNRS/NFMQ) D. Colson et A. Forget (SPEC/LNO) - Laboratoire Nano-Magnétisme et Oxydes, Service de Physique de l’Etat Condensé, CEA Saclay, France.
Depuis son invention en 1985, la microscopie à force atomique (Atomic Force Microscopy) a largement progressé en fournissant une base pour les nombreuses microscopies et spectroscopies dérivées, avec notamment des sondes de charge électrique, résistives, magnétiques, thermiques et avec divers couplages optiques (Raman, IR). Dès l’origine, les cantilevers, structures en silicium micro fabriquées avec la pointe, et le système de détection optique se sont imposés. En mode statique (Contact Mode), l’amélioration de la sensibilité obtenue par diminution de la raideur des leviers se heurte aux effets de capillarité qui perturbent la mesure de force et génèrent des instabilités susceptibles d’endommager la surface en cas de friction excessive. C’est pourquoi des modes dynamiques, faisant osciller verticalement la pointe (Tapping Mode ou Amplitude Modulation AFM) ont été développés, ce qui a permis l’emploi de sondes plus rigides plus stables. On note cependant que les amplitudes d’oscillation de la pointe de l’ordre de quelques nanomètres dégradent la résolution latérale.
L’invention du Non Contact AFM (ou Frequency Modulation AFM) solutionnant le problème de la lenteur de l’imagerie dynamique sous vide, liée à la faible dissipation des cantilevers, marque un jalon important. Grâce à la séparation des contributions des forces conservatives reliées à la topographie, de celles des forces dissipatives, et à l’utilisation d’un démodulateur de fréquence comportant une boucle à verrouillage de phase (Phase Locked Loop) numérique, le FM-AFM permet d’obtenir la résolution atomique « vraie », caractérisée par l’observation de défauts uniques comme des atomes isolés ou des lacunes. Dans son sillage, de nouveaux types de sondes ont émergé, élaborés à partir de quartz horlogers en forme de diapason, et sur une branche desquels l’utilisateur va fixer la pointe. Leur facteur de qualité Q supérieur de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux cantilevers leur confère ici une sensibilité inégalée. On distinguera le QPlus, diapason dont seule une branche oscille, l’autre étant immobilisée, du Tuning Fork, diapason complet. Le premier se passera d’équilibrage, devenu sans objet, mais subira une importante diminution de Q. Le second en sera directement tributaire pour que Q puisse retrouver une valeur proche de sa valeur initiale. Dans les deux cas, la détection optique et ses réglages fastidieux sous vide feront place à une simple mesure du courant piézoélectrique.
Fig. 1: Rebalanced tuning-fork force sensor carrying an oversize probe (2 mm). The new configuration of the electrodes allows electrical access to the tip end without perturbing the oscillation
Au SPEC, nous avons été pionniers de la mise en œuvre du Tuning Fork pour la microscopie AFM à l’air, un défi compte tenu de la raideur de la sonde difficilement compatible avec la matière molle. Nous avons inventé le mode 0PM-AFM (Zero Phase Mode) reposant sur la mesure de phase et dont l’imagerie est identique au FM-AFM, mais qui par suppression de la PLL gagne en rapidité et en stabilité, un atout de taille hors de l’ultravide [1]. En réalité, la forte rigidité du diapason résout les effets de capillarité et conduit à une sensibilité élevée de l’interaction pointe surface, le facteur de qualité restant élevé et l’oscillation se limitant au dixième de nanomètre. Ces développements ainsi que notre technique de fabrication de pointes ont permis d’obtenir les premières résolutions atomiques vraies à l’interface liquides solides en AFM ainsi que l’observation d’objets biologiques en mode dynamique à résolution moléculaire. Nous nous sommes associés à une équipe de l’Université Technologique d’Eindhoven (TU/e) qui a créé des pointes planaires actives à partir de rectangles de wafer de silicium métallisés et clivés en pointe et usinées de manière à former un circuit électrique susceptible de générer au niveau de l’apex un champ magnétique et/ou un gradient thermique (Fig. 1). Profitant de la taille millimétrique des tuning forks, ces nouvelles pointes de 2x2mm² ont pu être testées en AFM [2]. Des résultats récents publiés dans Microsystems & Nanoengineering mettent en évidence que les optimisations apportées au tuning fork permettant au facteur de qualité de la sonde planaire non seulement de se maintenir, mais de surpasser celui du diapason nu, tout en diminuant le bruit de détection, un résultat remarquable et contre intuitif qui justifie l’emploi de pointes AFM mésoscopiques [3]. Le détournement des électrodes du tuning-fork fournit deux conducteurs électriques permettant le passage du courant jusqu’à la pointe. Dans un premier temps, cela autorise des mesures STM (Scanning Tunneling Microscopy) /AFM simultanées (Fig.2), de sonder les propriétés thermiques locales des matériaux et à terme, de réaliser de l’imagerie en MFM (Magnetic Force Microscopy)/AFM. Finalement, la possibilité d’alimenter de futures pointes planaires dotées de fonctionnalités électro-actives, ouvre la voie à un champ d’applications encore plus vaste.
Fig. 2 Compared simultaneous AFM/STM images : c: topography (z); the white arrow corresponds the location of d: the cross-section, e: oscillation frequency shift (∆f), and f : tunnel current (It) maps demonstrate 6√3 resolved of SiC graphene taken in both AFM and STM modes in UHV
Références : [1] Pham Van L. et al. A stabler non contact atomic force microscopy imaging using a tuning fork for air and liquid environments: The zero phase mode atomic force microscopy. Journal of Applied Physics (2008) 104(7):074303 - 074303-8 DOI:10.1063/1.2986152 [2] Ciftci H. T. et al. Polymer Patterning with Self-Heating Atomic Force Microscope Probes. The Journal of Physical Chemistry A 2019 123 (37), 8036-8042 DOI: 10.1021/acs.jpca.9b06056 [3] Çiftçi, H.T., et al. Enhancing sensitivity in atomic force microscopy for planar tip-on-chip probes. Microsyst Nanoeng 8, 51 (2022). https://doi.org/10.1038/s41378-022-00379-x Contacts : Contact CEA : Laurent PHAM-VAN (SPEC, Groupe LEPO) Collaboration : Service de Physique de l’Etat Condensé (SPEC - CNRS UMR 3680), IRAMIS/CEA Saclay, France Department of Applied Physics, TU/e Eindhoven, Netherlands : O. Kurnosikov*, T. H. Ciftci, (* depuis 2021 : Equipe Spintronique et Nanomagnétisme, IJL, Nancy, France)