Techniques utilisées:
Les outils utilisés et/ou développés dans le groupe sont essentiellement fondés sur des techniques de structure électronique et d’énergie totale par des approches ab initio (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité, PWscf, Abinit, Siesta etc..) ou des approches semi-empiriques comme la méthode des liaisons fortes, ainsi que des potentiels d’interactions interatomiques, selon la complexité et la taille du système étudié. Le transport électronique est calculé dans un formalisme de fonction de Green bien adapté aux bases localisées.

Le mécanisme du harpon est souvent invoqué pour rendre compte de la réaction d’un atome métallique avec une molécule oxydante. Sous sa forme la plus simple, c’est un mécanisme à une dimension (1-D) où séquentiellement le métal approche du réactif, un électron passe du métal au réactif sans déformation de structure du réactif, suit alors une dissociation à 1-D de ce dernier, ce qui laisse un ion négatif en interaction avec l’ion métallique positif. Deux coordonnées sont à l’œuvre, mais pas ensemble.

Le LEPO effectue des recherches dans le domaine de l’interaction lumière-matière à l’échelle nanométrique, notamment dans des assemblées de nanoparticules et des systèmes moléculaires ou hybrides organisés.

Le groupe a développé un savoir-faire important d’une part dans la microscopie de photoémission d’électrons et d’autre part dans le couplage de mesures de micro-spectroscopie optique (absorption, fluorescence, diffusion Raman, conversion de fréquence) avec des microscopies à sondes locales (AFM, STM). Une sélection de ces réalisations expérimentales est présentée ci-dessous.

La dynamique d'une réaction chimique au voisinage de son état de transition est l'information essentielle qui doit-être obtenues pour prétendre à une vision détaillée du mécanisme de cette réaction. Il y a deux façons de l'étudier expérimentalement :

• spectroscopiquement comme dans d’autres activités de ce groupe (CICR et EDELWEISS)
• temporellement comme décrit ci-dessous

Dans l'un et l'autre cas, le phénomène chimique étudié est photodéclenché par un laser. Cette excitation a lieu sans changement géométrique du système réactif, mais les gradient de potentiel dans l'état excité donnent au système l'impulsion nécessaire à la réaction. L'information spectroscopique porte essentiellement sur la zone de Franck-Condon du photodéclenchement et sur l'état final des produits de réaction. L'information temporelle permet d'explorer le passage du système réactif par des conformations géométriques et des configurations électroniques très éloignées de celles accessibles dans la zone de Franck-Condon. Ces deux types d'informations sont complémentaires. C'est pourquoi nous menons de front, des travaux des deux types.

Dans le milieu vivant, les mécanismes, comme la respiration, producteurs d’énergie via le transport de petites molécules (O₂, CO, NO ...) impliquent des métalloporphyrines (molécules formées par la combinaison d'un métal et d'une porphyrine, molécules à structures cycliques impliquées dans le transport de l’oxygène).

Ce transport a lieu par fixation réversible de ces molécules sur le métal du site actif d’une hémoprotéine : l’hème, c'est-à-dire sur la protoporphyrine IX du fer. Cela fait intervenir des processus de ligandation et déligandation complexes résultant d’un équilibre subtil entre l’attraction métal–ligand, et l’attraction et la répulsion du ligand avec l’environnement de l’hème. La contribution relative de ces interactions est mal connue, d’où de nombreuses mesures sur l’énergétique des liaisons métal/ligand. Nombre d’entre elles sont issues de mesures de constantes d’équilibre en phase liquide qui ne permettent pas une comparaison directe avec des calculs théoriques. Cette limitation empêche la compréhension véritable du processus ligandation-déligandation.

Les mesures en phase gazeuse sont très appropriées à l’étude du processus primaire de ligandation/déligandation. Cela a motivé une collaboration, via les appels d’offre nationaux évoqués plus haut, puis largement poursuivie. La dynamique des états excités de ces systèmes a été étudiée sur un modèle : la tétraphényl porphyrine du ruthénium II liée à CO, excitée dans la bande de Soret à 400 nm par un laser femtoseconde. Cela a permis d’explorer la dynamique d’expulsion du ligand, via un état à transfert de charge porphyrine→métal auquel le système accède en 70 fs.

Pour en savoir plus...

Les spiropyranes et les spirooxazines sont deux classes de molécules photochromes dont les applications commerciales sont considérables. Par exemples, les spirooxazines sont utilisées dans les matériaux actifs à la lumière solaire et, plus encore, comme mémoire et comme interrupteur optique.

Ces molécules possèdent deux isomères dont les propriétés électroniques sont très différentes. Le point clé, responsable de leurs propriétés photochromiques, est la commutation d’un isomère à l’autre par absorption lumineuse. Le mécanisme de cette commutation est encore largement incompris malgré un grand nombre d’études en phase condensée. Il manque une information essentielle : le comportement propre de ces molécules après excitation lumineuse, hors solvatation.

Une avancée de la femtochimie en phase gazeuse est l’exploration des processus de relaxation dans les états excités des molécules de grande taille. Ceux-ci convertissent l’énergie électronique initiale en vibration intramoléculaire, ce qui assure la stabilité des molécules vis-à-vis de la lumière. Des croisements (coniques) entre surfaces de potentiel, rendent la relaxation rapide et efficace.

Nous avons examiné cette situation sur le tetrakis(dimethyl-amino) éthylène (TDMAE) qui possède une double liaison C=C : l’état excité V(ππ*) centré sur cette liaison se relaxe en moins de 500 fs vers un état excité zwitterionique C+C- (Z). La disparité de forme entre les orbitales V et Z pose le problème de l’origine d’une relaxation aussi rapide. La partie gauche de la figure montre qu’en fait, le transfert V→Z n’est pas direct. Un état de Rydberg (R) sert d’adaptateur entre V et Z. Plus récemment, nous avons examiné cette relaxation dans une phase condensée, simulée par un agrégat d’argon. La partie droite de la figure montre que pendant 1 ps environ, il y a disparition de la structure en trois états V, R, Z et que la structure électronique du système molécule-agrégat évolue continument au cours du temps.

Par ses activités de recherche fondamentale en nanosciences ou sur les matériaux, l'IRAMIS participe au programme de recherche sur les énergies bas carbone du CEA.

• Matériaux des nouvelles technologies pour l’énergie,
• Durabilité et vieillissement des matériaux
• Systèmes complexes et transition énergétique

Ces recherches apportent leur soutien au développement des systèmes nucléaires du futur, et sont une source d'innovation importante pour le développement du photovoltaique, d'une filière énergétique basée sur l'hydrogène ou encore sur l'efficacité énergétique de nos ressources chimiques.

Through basic research in nanoscience or for materials, IRAMIS participates in the CEA research program on low-carbon energies:

• Materials for new technologies for energy,
• Durability and aging of materials
• Complex systems, statistical physics and energy transition

This research contributes to the development of nuclear systems of the future, and are an important source of innovation for the development of photovoltaic, energy systems based on hydrogen, or on the energy efficiency of our chemical resources.

Aux éclairements inférieurs à 10¹⁴ Wcm^-2, l'ionisation double de H₂ est due principalement à l'excitation recollisionnelle venant du premier électron éjecté oscillant dans le champ du laser. Un modèle quantique non-Born-Oppenheimer montre que la recollision électronique produit une superposition cohérente d'états très excités qui présentent un caractère de type H⁺H^- très prononcé. Cette excitation est suivie soit de l'ionisation double assistée par le champ laser, soit de la double auto-ionisation. Dans le premier cas, les 2 électrons sont émis dans la même direction alors que dans le second, ils sont émis en sens opposés. Voir notamment la structure en papillon sur la figure.

Si l'ionisation simple tunnel ne prend que quelques dizaines d'attosecondes, l'ionisation multiple peut nécessiter plusieurs cycles optiques soit plusieurs femtosecondes dans le cas de l'émission séquentielle des électrons. Dans les molécules, l'éjection des électrons de valence conduit à la multifragmentation appelée explosion coulombienne. En principe, l'explosion coulombienne permet d'imager la position des atomes au sein de la molécule pourvu que la durée de l'émission électronique reste faible devant les temps caractéristiques de vibration nucléaire. Aussi la résolution temporelle revêt-t-elle un aspect majeur de nos recherches afin d'être compétitif avec les techniques d'ionisation multiple sur accélérateurs dont les temps caractéristiques sont de l'ordre de la dizaine d'attosecondes. Outre sa compacité, l'intérêt de l'excitation laser réside dans les possibilités d'analyse temporelle de molécules excitées en utilisant les techniques pompe-sonde. Par ailleurs, les impulsions de quelques cycles optiques ouvrent la voie à l'étude de relaxations électroniques et nucléaires à l'échelle de la femtoseconde. Les molécules étudiées vont de l'hydrogène moléculaire aux polyatomiques simples. La réponse atomique et moléculaire est analysée grâce aux techniques de détection d'ions multichargés par temps de vol, de mesure d'impulsion initiale et d'énergie d'ion, de corrélations d'ions pour déterminer les voies de multifragmentation, et de fluorescence UVX.

Dans les années 1990, l'explosion coulombienne de petites molécules a été étudiée avec des durées d'impulsion laser de plusieurs dizaines de femtosecondes. L'évolution de la distance internucléaire observée durant l'ionisation multiple a conduit au concept important d'ionisation exaltée par résonance de charge découvert par A. Bandrauk et coll. Récemment, nous avons montré que l'excitation de N₂ et CO₂ avec des impulsions de durée 10 fs permettait de réduire notablement la variation des coordonnées nucléaires durant l'ionisation multiple. En outre, les taux de fragmentation sont plus faibles avec les impulsions ultracourtes à cause de la loi d'échelle en 1/R des différents seuils d'ionisation multiple où R est la coordonnée nucléaire. Ces résultats ouvrent la voie à une imagerie moléculaire résolue en temps dans le domaine femtoseconde relativement simple à mettre en œuvre.

Ce projet démarré en 2008 propose le développement d'une nouvelle technique de diffraction électronique en phase gazeuse basée sur l'état de l'art de la technologie des lasers femtosecondes et de la physique attoseconde associée. En principe, la méthode devrait permettre l'imagerie d'espèces moléculaires transitoires avec une résolution temporelle de quelques femtosecondes. Les progrès récents de la physique des lasers ultrabrefs ont ouvert la voie au contrôle de l'ionisation tunnel des atomes et des molécules dans le domaine attoseconde grâce notamment à l'asservissement de la différence de phase entre la porteuse et l'enveloppe temporelle de l'impulsion laser. En outre depuis sa formulation dans les années 1990 par Kuchiev, Schafer et Kulander, et Corkum, le modèle recollisionnel a constitué un champ particulièrement fertile pour l'interprétation de phénomènes non linéaires comme la génération d'harmoniques, l'ionisation au-dessus du seuil, et l'ionisation double non séquentielle.

En bref, la dynamique électronique est décrite en terme d'orbites quasi-classiques du photoélectron oscillant dans le champ laser et qui peut de ce fait recollisionner le cœur ionique. La diffraction femtoseconde du photoélectron consiste à exploiter la recollision élastique afin d'imager le cœur ionique lorsque la longueur d'onde de de Broglie associée à l'électron devient comparable ou plus petite que les distances internucléaires. La génération d'harmoniques et l'ionisation double non séquentielle correspondent quant à elles à une recollision inélastique. Dans tous les cas, la dynamique temporelle de la recollision se développe sur moins d'un cycle optique. Aussi la résolution temporelle de la diffraction du photoélectron pourrait-elle être de l'ordre de la femtoseconde à condition de n'avoir au plus qu'un seul événement de recollision durant toute la durée de l'impulsion laser.

Nous avons implémenté la compression d'impulsion sur le laser Sofockle (800 nm, 600 µJ, 40 fs) en testant plusieurs configurations basées sur l'automodulation de phase dans l'argon et sur un élargissement spectral homogène spatialement. Les durées d'impulsion obtenues vont de 8 à 10 fs, avec des énergies jusqu'à 200 µJ donnant des éclairements jusqu'à 10¹⁶ Wcm^-2.

Théorie Thomas-Fermi de l'ionisation multiple
M. Brewczyk (Université de Bialystok, Pologne)
L'ionisation multiple est appréhendée grâce à un modèle hydrodynamique de type Thomas-Fermi qui permet de traiter les systèmes multi-électroniques en champ laser intense de manière non perturbative. Les énergies cinétiques de multifragmentation de CO₂ and N₂O sont bien reproduites par le modèle.

Ph. Hering, Thèse de doctorat, Paris (1999)
Ph. Hering, M. Brewczyk, and C. Cornaggia, Phys. Rev. Lett. 85, 2288 (2000)

Les processus cohérents induits dans les atomes et les molécules par un champ laser intense donnent lieu à deux types d'applications. D'une part, la diffraction et la recombinaison radiative du paquet d'ondes électronique (POE) peuvent sonder le système qui a libéré le POE, selon un schéma d' "auto-sonde" ("self-probing"). D'autre part, les impulsions XUV produites peuvent être transportées pour exciter/sonder un système cible. Parmi les applications de ce type, nous avons récemment étudié la Photoionisation atomique en phase gazeuse et l'Interaction XUV/solide. En règle générale, les applications aux études dynamiques résolues en temps (de type "pompe-sonde"), aux études non linéaires ou à celles utilisant la cohérence, demandent un flux cohérent élevé. Dans la perspective d'augmenter les performances des sources XUV, nous contribuons aux études sur l'Injection d'un Laser à Electrons Libres par une source externe, ici la source HHG dans les gaz.

Collaborations : M.-E. Couprie et al., SOLEIL Synchrotron (St-Aubin, France)
T. Hara et al., SPring8 Compact SASE Source (SCSS), XFEL Project/RIKEN (Hyogo, Japon)
L. Giannessi et al., ENEA & INFN/LNF (Frascati, Italie)

Pour produire des impulsions ultra-courtes intenses dans le domaine XUV, les sources dites de 4ème génération pourraient exploiter la combinaison des sources par laser et par accélérateur. En collaboration avec le Synchrotron SOLEIL et l'équipe qui développe le prototype SCSS de Laser à Electrons Libres sur LINAC (SPring-8 Compact SASE Source, SPring-8/RIKEN, Japon, SASE pour Self-Amplified Spontaneous Emission), nous avons récemment injecté le rayonnement harmonique à 160 nm (5^ème harmonique du laser Ti :saphir) dans la section amplificatrice du prototype [G. Lambert, T. Hara et al., Nature Phys. 4, 296 (2008)].

Time-resolved photoion and photoelectron velocity mapped images from NO₂ excited close to its first dissociation limit [to NO(X²P) + O(³P₂)] have been recorded in a two colour pump–probe experiment, using the frequency-doubled and frequency-tripled output of a regeneratively amplified titanium–sapphire laser. At least three processes are responsible for the observed transient signals; a negative pump–probe signal (corresponding to a 266 nm pump), a very shortlived transient close to the cross-correlation of the pump and probe pulses but on the 400 nm pump side, and a longer-lived positive pump–probe signal that exhibits a signature of wavepacket motion (oscillations). These transients have two main origins; multiphoton excitation of the Rydberg states of NO₂ by both 266 and 400 nm light, and electronic relaxation in the ¹²B₂ state of NO₂, which leads to a quasi-dissociated NO2 high in the ¹²A₁ electronic ground state and just below the dissociation threshold.

L’isomère de l’acétylacétone (AcAc) le plus stable en phase gazeuse a la structure ci-contre. Le cycle à 6 atomes, fermé par une liaison hydrogène en est la propriété structurale majeure, partagée avec de nombreuses molécules organiques. Nous l’avons utilisé comme modèle pour étudier une réaction de transfert d’hydrogène photoinduite.

La dynamique d'une réaction chimique au voisinage de son état de transition est l'information essentielle qui doit-être obtenues pour prétendre à une vision détaillée du mécanisme de cette réaction. Il y a deux façons de l'étudier expérimentalement :

• spectroscopiquement comme dans d’autres activités de ce groupe (CICR et EDELWEISS)
• temporellement comme décrit ci-dessous

Dans l'un et l'autre cas, le phénomène chimique étudié est photodéclenché par un laser. Cette excitation a lieu sans changement géométrique du système réactif, mais les gradient de potentiel dans l'état excité donnent au système l'impulsion nécessaire à la réaction. L'information spectroscopique porte essentiellement sur la zone de Franck-Condon du photodéclenchement et sur l'état final des produits de réaction. L'information temporelle permet d'explorer le passage du système réactif par des conformations géométriques et des configurations électroniques très éloignées de celles accessibles dans la zone de Franck-Condon. Ces deux types d'informations sont complémentaires. C'est pourquoi nous menons de front, des travaux des deux types.

The time evolution of electronically excited vitamin B₁₂ (cyanocobalamin) has been observed for the first time in the gas phase. It reveals an ultrafast decay to a state corresponding to metal excitation. This decay is interpreted as resulting from a ring to metal electron transfer. This opens the observation of the excited state of other complex biomimetic systems in the gas phase, the key to the characterisation of their complex evolution through excited electronic states.

Chem. Phys. (2007)

Atoms in a strong laser field: an electron wave packet is launched and driven by the field over one optical cycle. The EWP can return to its parent ion and be scattered as an outgoing electron wave or an attosecond burst of XUV light. The EWP recollision has therefore a double interest: it can be exploited either as a probe of the system with an extreme resolution, or as an ultra-short source of XUV light.

The dynamics of atomic and molecular electrons in a strong laser field is particularly rich and has been a central research topic at LIDYL for more than thirty years. This program is experimentally and theoretically continued in the Attophysics group.

Basically, the ultra-fast electron dynamics in a strong laser field can be described from both quantum and semi-classical concepts, as for instance electron wave packets and electron trajectories, respectively. The semi-classical picture has popularized the elementary dynamical process under the so-called “three-step” model [P. Corkum, Phys. Rev. Lett. 71, 1994 (1993)].

Its profound physical content is illustrated in the figure. When the atom (molecule) is submitted to a laser field – in the intensity range 10¹³-10¹⁶ W/cm², that is strong enough to distort significantly the core potential -, an electron initially in a valence orbital can escape the core (step 1). This electron subsequently "rides" the laser field and may return back to its parent core within one optical cycle (of duration 2.7 fs = 2.7 10^-15 s with the infra-red lasers we use), after it has gained kinetic energy in the field up to a few tens or even hundreds of electronvolts (step 2). In the recollision with the core, the electron can be quasi-elastically scattered (electron diffraction) or inelastically but coherently scattered (step 3). In the latter inelastic recollision, the electron can either further ionize the core or recombine radiatively with it, releasing its energy as an attosecond burst of extreme–UV light. The above three steps including the attosecond emission constitute the elementary sequence in High Harmonic Generation or HHG, first observed in 1987 simultaneously in Chicago and Saclay [A. Mc Pherson et al., J. Opt. Soc. Am. B 4, 595 (1987), M. Ferray et al., J. Phys. B 21, L31 (1988)]. Each optical cycle drives two recollisions so that a train of attosecond pulses in produced in HHG; their temporal characterisation was first achieved in Saclay in 2001 [P.-M. Paul et al., Science 292, 1689 (2001)].

The atomic/molecular electron dynamics in the strong field encompass basic processes, such as ionization and EWP scattering in the different channels, which are studied for themselves along by two research lines. They are detailed in the Multiple ionization & Molecular Imaging and High Harmonic Generation and Attosecond physics pages.

Now, speaking quantum mechanics, the electron is better described as an electron wave packet (EWP) that dynamically splits into two parts, respectively bound and quasi-free, in the laser field, where the quasi-free component undergoes the recollision and scattering onto the core. The free EWP has a de Broglie wavelength in the Angstrom range, which makes it a very appropriate local probe of the system which extends over a comparable scale. Since the EWP probe has attosecond temporal resolution, it can in principle image ultra-fast motion of electrons and nuclei in molecules. Two research lines, described in the Ultra-fast imaging of molecules from electron diffraction and High Harmonic Generation and Attosecond physics pages, build on this "self-probing" paradigm.

Recolliding EWP in a strong laser field. The two coherent scattering channels, EWP diffraction and EWP radiative recombination keep an imprint of the nuclear structure and the electronic orbital in the molecule.

Besides the fundamental studies of the electron dynamics in strong field, and its use as a probe of transient systems, HHG provides with a source of ultra-short coherent pulses in the XUV (from 100 nm down to a few nm). The source's brightness, which reflects the high instantaneous flux and coherence in both the "narrowband" femtosecond and "broadband" attosecond ranges and its natural synchronization with a driving laser, make it very attractive for a number of applications. Among the Examples of applications we have performed multi-color Photoionization in the gas phase, and studies of XUV/solid interaction in the solid state. The coherence properties and partial tunability of the HHG source make it attractive for Seeding a Free Electron Laser, which constitutes another research line. A promising new application concerns the Coherent diffraction imaging of nanometric objects. Most of the applications are developed in collaboration with expert groups, either in France or in Europe, USA, Canada, Japan,…

Eventually, we pursue a theoretical activity to support the several experimental programs. It focuses on microscopic aspects of the gas phase-strong field interaction, i.e., the electron dynamics in atoms and molecules, including Strong Field Approximation (SFA) models in HHG. It also deals with the macroscopic aspects of the interaction, with the development of 3D propagation codes for the laser and XUV fields.

Collaborations du groupe LENSIS

	Dr. Olivier Renault CEA-LETI MINATEC, France
	Dr. Bertrand Vilquin Institut des nanotechnologies de Lyon (Ecole Centrale de Lyon), France
	Dr. Brahim Dkhil Laboratoire Structures, Propriétés, Modélisation des Solides, SPMS/UMR 8580, Ecole Centrale de Paris, France
	Dr. Lucia REINING European Theoretical Spectroscopy Facility (ETSF), Ecole de Polytechnique, France
	Prof. Claus.M. Schneider IFF-9/FZJülich, Germany NanoESCA Beamline, Sincrotrone Elettra, Trieste, Italy
	Dr. Grégory Geneste CEA/DAM
	Dr. Thomas Maroutian Institut d'Electronique Fondamentale Université Paris-Sud
	Prof. Brice GAUTIER Institut des Nanotechnologies de Lyon INSA de Lyon Université de Lyon
	FOCUS Electronics Germany
	Omicron Nanotechnology
	Nanospectroscopy Group Andrea Locatelli Tevfik Onur Menteş Sincrotrone Elettra, Trieste, Italy
	TEMPO Beamline Synchrotron SOLEIL L'Orme des Merisiers Saint-Aubin BP 48 91192 Gif-sur-Yvette
	GALAXIES Beamline Synchrotron SOLEIL L'Orme des Merisiers Saint-Aubin BP 48 91192 Gif-sur-Yvette

	Dr. Vladimir. N. Strocov Swiss Light Source, Paul Scherrer Institute, CH-5232 Villigen PSI, Switzerland
	Dr. Mercedes GABAS University of Malaga, Spain
	Dr. Cristian-Mihail Teodorescu National Institute of Materials Physics Physics of Condensed Matter at Nanoscale Atomistilor 105b 077125 Magurele-Ilfov, Romania
	François Gaillard IRCELYON
	Dr. Manuel Bibès UMPhys CNRS/Thalès
	Laurent Bellaiche Comptational Condensed Matter Physics, University of Arkansas
	Prof. Ed Conrad Epitaxial Graphene Laboratory GeorgiaTech
	Dr. Alexandre Pancotti Universidade Federal de Goias, Brazil

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A multi-ferroïc material possesses simultaneously two or more ferroïc orders: ferroelectric, ferromagnetic and ferroelastic. Particularly fascinating is the coupling between these orders. For example magneto-electric coupling allows electrical control of the magnetization or, inversely, magnetic control of the polarization. The coupling coefficient α is defined by M=αP. Multi-ferroicity provides additional handles to control oxide properties. To these can be added collective orbital, spin and charge phenomena.

α

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The new physics emerging from two-dimensional films in the limit of a few unit cells has a host of exciting applications. However, understanding the ferroelectric properties of such engineered thin film systems requires taking into account not only the material but also its interfaces with electrodes, substrates or atmosphere; in other words, the electrical boundary conditions. In the case of a thin film these can even determine the ferroelectric polarization stability. The depolarizing field can place a lower limit on the film thickness capable of supporting a stable polarization.

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The advent of high quality epitaxial film growth, decisive theoretical advances and experimental tools capable of characterizing in detail ferroelectric materials has led to a resurgence of interest, in particular the perspective of engineering films for ferroelectric-based electronics. Substrate-imposed strain, for example, can increase the Curie temperature, stabilizing ferroelectricity in BaTiO₃ up to 600°C.

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The question of the interface is a key issue in multi-ferroïc heterostructures. Hybridization between filled d orbitals responsible for magnetization and empty d orbitals in the ferroelectric oxide may be one path to such coupling. Several coupling mechanisms have been identified and these can be quite complex. For example, the charge ordering of a magnetic layer can be modulated by the polarization state of an adjacent ferroelectric.

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Electronic and chemical structure of functional oxides

We study oxide band structure, surface and interface chemistry, ferroelectric and multiferroic films.

The defining property of a Ferroelectric (FE) material is a spontaneous macroscopic polarization which can be reversed under an applied electric field. The polarization as a function of applied electric field exhibits a hysteresis loop, analogous to ferromagnetic materials, hence the name ferroelectricity.

It was discovered by Valasek from the University of Minnesota who presented his results at the Washington meeting of the American Physical Society in April 1920.

Perovskite oxides, of general formula ABO3 with a pseudocubic structure, where A and B are two different cations, furnish many interesting ferroelectrics. The B-type cation is octahedrally coordinated with oxygen. In the example shown, BaTiO3, it is the relative symmetry breaking displacement of the Ti atoms with respect to the O atoms which is responsible for the spontaneous polarization. BaTiO3 has three ferroelectric phases: tetragonal, orthorhombic and rhombohedral.

• Epitaxial thin films
• Electrical boundary conditions
• Multi-ferroïcs
• Interface chemistry
• Screening
• Switching the polarization
• Response to applied bias
• Domain Walls
• Chemisorption
• Our experimental approach

Sujets d'étude

Les études menées dans le groupe visent à comprendre et décrire les relations entre la microstructure d'un matériau et ses propriétés mécaniques comme ses propriétés de rupture par exemple. La concentration des contraintes autour des défauts et imperfections rendent celles-ci très sensibles au désordre de microstructure à une échelle relativement fine et rendent caduques toutes les méthodes d'homogénéisation classiques visant - pour calculer la ténacité ou la durée de vie d'un matériau - à le remplacer par un "matériau effectif" dont les propriétés seraient une moyenne de celle des différents éléments de microstructure qui le composent. Néanmoins, certains concepts issus de la physique statistique semblent être pertinents et permettre de prédire certains de ces comportements. Les recherches menées dans le groupe visent à mettre au point ces descriptions statistiques et les valider en les confrontant à des expériences modèles. Dans le même esprit, nous cherchons à comprendre comment relier la rhéologie des écoulements plastiques dans les matériaux désordonnés (verres d'oxyde et milieux granulaires par exemple) au comportement des constituants microscopiques au travers de descriptions statistiques.

We report for the first time the direct measurement of spin polarization in epitaxial CoFe2O4 tunnel barriers using the Meservey-Tedrow technique. We further analyze the effect of oxidation conditions during film growth on the polarization of the tunneling current (PSF), revealing an important role played by oxygen vacancies in the spin-filter efficiency of this material.

These spin filtering measurements have been performed in collaboration with the team of J. S. Moodera from the Francis Bitter Magnet Lab, MIT.

L'APSC (Action Physique & Systèmes Complexes) est une structure interne à l'IRAMIS, qui a pour but de rassembler toutes les personnes  et les laboratoires intéragissant avec l'Institut des Systèmes complexes d'Ile de France : ISC-IdF,  membre du Groupement d’intérêt scientifique (GIS) Réseau National des systèmes Complexes.

L'APSC est animé par François Daviaud et Hughes Chaté.

                  

Time-space fluctuations of 2-d systems may fall in various university classes depending on their symmetry and conservation laws. For metallic surfaces, at temperatures T well below the melting point, matter conservation applies for surface diffusion and thermal noise. Isotropic (dense faces) as well as highly anisotropic (vicinal surfaces) systems can be considered. h(x, y) being the surface height and a conservative noise term, we write the 2-d Langevin equation: , with the surface Hamitonian ,

where is the anisotropic Laplacian , the rate constants for diffusion (related to elementary activation energies for diffusion) and (η_x, η_y) the surface tensions (related to the kink energy and step-step interaction constant, Calogero-Sutherland model).  V(h) is a localization potential favoring integral value of the surface heights for temperatures T below the roughening temperature T_R.

Le carbure de silicium est un semi conducteur intéressant pour l’électronique du fait de sa capacité à fonctionner aux températures élevées. Une autre propriété intéressante de ce matériaux est la capacité qu’à sa surface dans certaines conditions à s’organiser en lignes atomiques formées de dimères dont la longueur peut excéder le micron. L’espacement peut être ajusté par un traitement thermique. Il est possible de fabriquer ainsi un super-réseau de lignes atomiques massivement parallèles Ces structures hautement régulières pourraient servir de support pour construire des nanostructures (SPCSI- Univ Paris XI).

Voir aussi le site Internet du SIMA

Sans aucun doute, l'accélération des particules chargées par laser a été l'un des domaines les plus fertiles de ces dix dernières années. En soi, l'accélération d'ions lors de l'interaction laser-matière était un phénomène déjà bien connu même si limité à l'expansion thermique du plasma de corona crée par des impulsions nanoseconde et sub-nanoseconde à faible intensité.

A partir de la fin des années '80, la technique CPA a mis à disposition de la communauté scientifique des lasers de plus en plus puissants, capable de dépasser les 10¹⁸ W/cm². Cela a ouvert la voie à l'exploration du régime d'interaction relativiste, ainsi appelé car la vitesse des électrons soumis à l'action du champ électromagnétique du laser approche la vitesse de la lumière. Dans ce régime, le déplacement des électrons provoque la naissance d'énormes champs électriques capables à leur tour d'accélérer des particules chargées à des très hautes énergies.
Le scenario désormais consolidé pour l'accélération de protons, nommé Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) comprends trois étapes. D'abord le piédestal de l'impulsion laser crée un petit plasma sur la surface d'une feuille mince (~µm)  qui fait fonction de cible.

 Ensuite, la partie principale de l'impulsion laser accélère les électrons de cette mince couche de plasma vers la cible. Enfin, la sortie des électrons sur le coté non irradié de la cible génère un intense champ électrostatique qui ionise d'abord et accélère ensuite à des très hautes énergies les ions et les protons qui se trouvent sur la surface de la cible. 
Les caractéristiques de haute énergie, faible divergence, courte durée et faible emittance des paquets des protons ainsi produits les rends particulièrement intéressants pour un large éventail d'applications parmi les quelles on peut citer l'exploration à haute résolution des champs électriques dans les plasmas, les applications pour les fast ignitor, l'induction des phénomènes nucléaires, la production d'isotopes pour des applications médicales et la proton thérapie. 

Les prochaines étapes de la recherche sur l'accélération ionique à Saclay
 
Grâce à un riche ensemble de ressources humaines, compétences et moyens techniques, nous allons mettre en place un ambitieux programme de recherche.
 
a) Lois d'échelle
 
La plupart des modèles existants censés donner des lois d'échelle pour les principales caractéristiques des faisceaux de protons (énergie maximales, nombre de particules accélérées) semble être mieux adaptés à des impulsions laser très énergétiques et de « longue » durée (~ ps). Cela s'explique par le fait que c'est aussi à partir des données acquises lors d'expériences menées sur ce type d'installations, que ces model ont été bâtis.
On peut toutefois facilement comprendre l'intérêt, surtout économique, pour des futures installations laser, d'atteindre des niveaux d'intensité très élevés mais en utilisant une très courte durée d'impulsion et relativement peu d'énergie. Il devient alors important, de vérifier et éventuellement modifier les lois d'échelle existantes  pour mieux les adapter à ce type de laser. C'est ce que nous nous proposons de faire en étudiant l'influence de la durée d'impulsion et l'intensité d'éclairement sur les énergies maximales et la distribution spectrale des protons.

 b)  Cibles nano-structurées

 
Des récentes expériences menées à Saclay ont montré les potentialités des cibles micro- voire nano-structurées dans l’augmentation de l’efficacité de couplage. Forts de nos résultats, nous allons reconduire l’exploration de cette voie en utilisant des cibles avec des caractéristiques encore mieux adaptées à nos paramètres d’interaction. De plus, nous allons nous intéresser aussi à l’émission de paquets d’électrons observés lors de l’utilisation de cibles à réseau, c’est-à-dire, présentant un motif periodique regulier et opportunement espacé sur la surface exposée à l’impulsion laser.

c) Le projet ALPS
 
Suite logique de l’ANR GOSPEL qui s’est terminé en 2012, le projet ALPS se situe dans le cadre du projet SAPHIR (voir plus bas), auquel notre équipe participe. Ce projet d'innovation industrielle stratégique, issu de la collaboration entre partenaire industriels et académiques, a pour bût de définir les briques scientifiques et technologiques pour la réalisation de la protonthérapie par laser. Trois objectifs de recherche sont poursuivis :
 - développer les lois d'échelle des énergies des protons pour différents intensités laser vers le régime ultra-relativiste, I>10²¹ Wcm^-2, dans le but d'étudier une source d'ions par laser d'intérêt médical;
 - approfondir les connaissances des aspects fondamentales des plasmas créés par laser, afin de identifier et contrôler des chemins d'accélération des ions plus adaptés à un usage pratique des faisceaux produits;
- quantifier les effets qu’une dose déposée par des particules accélérés par laser auraient sur des échantillons biologiques, dans le bût de vérifier ou nier leur utilité pour la protontherapie.
Le CEA/DAM-IDF et le LOA (porteur) font également partie du projet.

d)  Le projet PROPAGATE

Le projet PROPAGATE se propose d’effectuer une large et systématique étude expérimentale sur les  mécanismes d'absorption de l’énergie laser par des agrégats en fonction de leur taille moyenne, de la densité électronique et des paramètres du laser lui-même (énergie, durée d'impulsion, contraste ...) ayant pour objectif  la mesure des taux absolus de production de particules. PROPAGATE peut compter sur une solide collaboration interdisciplinaire entre des chimistes, des spécialistes de la physique atomique, nucleaire  et des plasmas, et des astrophysiciens chacun couvrant l’un des domaines en jeu (génération et caractérisation des nano-objets, réalisation de l’injecteur et des diagnostics appropriés, etc.) Les expériences auront lieu sur les installations laser du CELIA à Bordeaux et sur le laser UHI100 à Saclay. 

e) Dépôt d'énergie des ions dans la matière

L'emittance et la durée des paquets d'ions accélérés par laser sont des ordres de grandeurs plus petits de ce que l'on peut obtenir avec un accélérateur classique. La reproductibilité tir à tir peut attendre le 5% RMS en utilisant, comme nous l'avons montré, des impulsions laser UHC. Toutes ces caractéristiques font des ions accélérés par laser l'outil idéal pour étudier le dépôt d'énergie dans la matière sur des échelles temporelle extrêmement courtes, notamment à travers des expériences de type pompe-sonde. Des telles informations sont d'intérêt capital pour le développement de modèles numériques concernant la fluorescence induite dans la matière par des particules ionisantes. Ce programme de recherche est mené en collaboration avec le CEA/IRAMIS/Nanosciences et Innovation pour les Matériaux la Biomédecine et l'Energie (NIMBE).
 
f) Des protons accélérés par laser pour la proton thérapie: le consortium SAPHIR
 
Parmi toutes les applications envisageables de ces paquets des protons, la plus intéressante d'un point de vue sociétale reste, et de loin, la possibilité de les utiliser pour le traitement du cancer. Dans ce cadre, le but du consortium SAPHIR est d'étudier la faisabilité d'une source de protons compacte générée par laser qui soit plus compacte, flexible et économique des installations actuelles basées sur des accélérateurs standards. Autour de ce projet, qui a récemment reçu l'appui enthousiaste de l'OSEO, figurent  des partenaires de compétence reconnue du  monde de la recherche et de l'entreprise: le LOA, le CEA-DAM, Amplitude Technologies, l' Institute Gustave Roussy, l' Institute Curie, le Centre Protonthérapie d'Orsay, Propulse s.a.s, Imagine Optic et Dosisoft.

Interféromètre imageur à 32nm à conversion de fréquence interne

L'interférométrie permet l'accès à l'information de densité électronique en 2D. Pour caractériser la densité électronique de plasmas denses, nous avons mis  au point, en collaboration avec le groupe Attophysique et le LCF-Institut d'Optique, un appareil innovant utilisant la cohérence mutuelle de deux sources XUV  d'harmoniques d'ordre élevé générées dans un jet de gaz. L'interférométrie, dans le domaine XUV, présente des grandes difficultés liées à la manipulation des faisceaux XUV.
Pour relâcher les contraintes dans ce domaine, nous avons proposé un schéma novateur dans lequel une grande partie du dispositif optique est dans l'IR. Le principe de cet interféromètre est reporté sur la figure ci-dessous.

Etude de l'évolution temporelle de plasmas denses, d'intérêt pour la Warm Dense Matter, par mesure de réflectivité dans l'XUV résolue temporellement et spectralement...

L'étude des propriétés de la matière dense et tiède (WDM - densité du solide et température de quelques eV) concerne une large communauté allant des astrophysiciens aux physiciens du solide. La difficulté majeure pour caractériser ces plasmas denses provient de leur opacité à la lumière visible. De plus, il existe très peu de données expérimentales permettant de valider les théories utilisées pour décrire le comportement de ces plasmas.
Nous avons proposé d'enregistrer la variation temporelle de réflectivité d'une sonde dans l'XUV sur un plasma créé par irradiation d'une cible métallique. L'expérience, de type pompe IR- sonde XUV, a été réalisé sur le serveur LUCA (lien vers LUCA) (CEA-Saclay / SLIC). Un faisceau IR a été focalisé à des éclairements compris entre 10¹³ et 10¹⁵W/cm² sur une cible d'Au.  Le rayonnement XUV est un faisceau d'harmoniques d'ordre élevé obtenu par conversion de fréquence dans un jet d'argon. Le faisceau sonde, étant constitué des ordres impaires de la fréquence laser fondamentale, nous avons enregistré la variation de réflectivité pour plusieurs longueurs d'onde en un seul tir. 
Les résultats expérimentaux sont reportés sur la figure ci-dessous.

Caractérisation de plasmas créés par irradiation intense de feuilles de polypropylène par mesure de l'évolution temporelle de transmission de rayonnement XUV avec une résolution de 100fs...

Le plasma est généré par irradiation intense (I≈3x10¹⁷W/cm²) de feuille de polypropylène, sur l'installation laser UHI10 (CEA-Saclay / SLIC). On a montré que le contraste du laser était insuffisant et nécessitait l'ajout d'un système de miroir plasma pour atteindre une valeur de 10⁸ (contraste temporel nanoseconde) et assurer que le piedestal de l'impulsion lumineuse n'endommageait pas la cible avant l'arrivée de la partie intense du faisceau. Le faisceau sonde est une source d'harmoniques d'ordre élevé généré dans un jet de gaz.
Le principe de la mesure est basé sur l'utilisation de la dépendance de la densité critique du plasma avec λ^-2. L'idée est de mesurer la transmission de plusieurs harmoniques simultanément à travers le plasma. Le faisceau sonde étant composé d'harmoniques, celles pour qui N_cr>N_e du plasma seront transmises alors que celles telles que N_cre seront stoppées. A partir de la modélisation de l'expansion du plasma, on calcule la transmission de plusieurs harmoniques  que l'on compare enfin aux résultats expérimentaux pour en déduire T_e0, la température électronique initiale du plasma.
Les résultats expérimentaux sont présentés sur la figure ci-dessous. On a reporté l'évolution temporelle de la transmission des harmoniques H₁₉ et H₂₁, correspondant respectivement à 42nm et 38nm, à travers une feuille de polypropylène irradiée par un faisceau pompe (60fs, 10Hz, 800nm) focalisé à I≈3x10¹⁷W/cm². L'encart correspond à un spectre de référence sans plasma et un spectre 1.2ps après la création du plasma.

Codes particulaires

De par sa brièveté et son intensité, l'interaction d'une impulsion laser avec la matière peut être suivie de manière précise grâce aux outils numériques que ce début de siècle met à notre disposition. Les impulsions laser, durant quelques dizaines de période du champ laser, interagissant avec des cibles solides, de quelques longueurs d'onde laser d'épaisseur, peuvent être simulées grâce à des outils numériques particulièrement performants, à savoir les codes particulaires. Ces codes calculent numériquement l'évolution de la densité des particules en présence, électrons et ions, dans l'espace des phases (position, impulsion) couplée à l'évolution des champs électromagnétiques extérieurs ou auto-générés. Le modèle sous-jacent consiste donc en un couplage des équations de Vlasov, une par espèce de particules, et des équations de Maxwell.
Ces codes sont donc capables de capturer une physique très riche, car relevant d'un modèle cinétique de la matière bien supérieur au modèle hydrodynamique usuel pour suivre des écoulements, et de le faire de façon efficace, en ne maillant que les dimensions spatiales pour les champs et en gérant la dynamique des espaces des phases par des macro-particules. Cette approche lagrangienne de l'espace des phases, qui conduit à la présence de macro-particules là où la matière est dense, évite l'utilisation de mailles en impulsion où la densité de matière resterait faible. Cette physique et cette gestion font que, depuis leur apparition dans les années 60, ces codes particulaires ont tenu et tiennent le haut du pavé de la simulation des plasmas. Ils sont aptes à représenter les phénomènes ondulatoires dans leur vie complète, propagation linéaire, couplage d'ondes faiblement non-linéaires, comportement fortement non-linéaire avec cambrure des ondes, profil de choc et enfin déferlement avec l'accélération associée des particules.

Avec 10²¹ W/cm² accessibles actuellement dans le monde (pratiquement 10²⁰ à Saclay), des électrons au GeV (impulsion p_e/m_ec <10²) et des ions à 100 MeV (impulsion p_i/ m_ic <0.3) sont détectés lors de l'impact laser sur la cible. Au moins pour les électrons, l'équation de Vlasov est donc traitée dans une approche relativiste. Ce modèle est capable de suivre des plasmas non collisionnels, où la longueur de Debye est beaucoup plus grande que la distance inter-particule elle même plus grande que la distance de Landau. La réalité fait que l'interaction laser-matière débute par une phase d'ionisation et une corrélation entre particules via des collisions binaires. Ces deux phénomènes relevant d'un modèle à N corps quantique ou classique n'ont que très peu été retenus dans ces codes particulaires, fondamentalement associés à des comportements non-collisionnels modélisés par l'équation de Vlasov. Mais depuis le début de cette décennie, progrès informatiques aidant, des modèles ont fleuri en vue d'intégrer cette physique aux codes particulaires, via une technique Monte-Carlo : au vu d'une probabilité actualisée d'ionisation et de collisions, fonction du champ électrique et de la densité électronique locale au sein d'une maille, des atomes/ions sont ionisés et des électrons/ions voient leur trajectoires déviées. Par cette technique Monte-Carlo, la physique associée à des échelles de quelques nanomètres, relevant de "l'infra-Debye" si l'on peut s'exprimer ainsi, est prise en compte ; la méthode particulaire avec ses macro-particules de taille finie gère "le supra-Debye".

Ce projet démarré en 2008 propose le développement d'une nouvelle technique de diffraction électronique en phase gazeuse basée sur l'état de l'art de la technologie des lasers femtosecondes et de la physique attoseconde associée. En principe, la méthode devrait permettre l'imagerie d'espèces moléculaires transitoires avec une résolution temporelle de quelques femtosecondes. Les progrès récents de la physique des lasers ultrabrefs ont ouvert la voie au contrôle de l'ionisation tunnel des atomes et des molécules dans le domaine attoseconde grâce notamment à l'asservissement de la différence de phase entre la porteuse et l'enveloppe temporelle de l'impulsion laser. En outre depuis sa formulation dans les années 1990 par Kuchiev, Schafer et Kulander, et Corkum, le modèle recollisionnel a constitué un champ particulièrement fertile pour l'interprétation de phénomènes non linéaires comme la génération d'harmoniques, l'ionisation au-dessus du seuil, et l'ionisation double non séquentielle.

En bref, la dynamique électronique est décrite en terme d'orbites quasi-classiques du photoélectron oscillant dans le champ laser et qui peut de ce fait recollisionner le cœur ionique. La diffraction femtoseconde du photoélectron consiste à exploiter la recollision élastique afin d'imager le cœur ionique lorsque la longueur d'onde de de Broglie associée à l'électron devient comparable ou plus petite que les distances internucléaires. La génération d'harmoniques et l'ionisation double non séquentielle correspondent quant à elles à une recollision inélastique. Dans tous les cas, la dynamique temporelle de la recollision se développe sur moins d'un cycle optique. Aussi la résolution temporelle de la diffraction du photoélectron pourrait-elle être de l'ordre de la femtoseconde à condition de n'avoir au plus qu'un seul événement de recollision durant toute la durée de l'impulsion laser.

Aux éclairements inférieurs à 10¹⁴ Wcm^-2, l'ionisation double de H₂ est due principalement à l'excitation recollisionnelle venant du premier électron éjecté oscillant dans le champ du laser. Un modèle quantique non-Born-Oppenheimer montre que la recollision électronique produit une superposition cohérente d'états très excités qui présentent un caractère de type H⁺H^- très prononcé. Cette excitation est suivie soit de l'ionisation double assistée par le champ laser, soit de la double auto-ionisation. Dans le premier cas, les 2 électrons sont émis dans la même direction alors que dans le second, ils sont émis en sens opposés. Voir notamment la structure en papillon sur la figure.

Si l'ionisation simple tunnel ne prend que quelques dizaines d'attosecondes, l'ionisation multiple peut nécessiter plusieurs cycles optiques soit plusieurs femtosecondes dans le cas de l'émission séquentielle des électrons. Dans les molécules, l'éjection des électrons de valence conduit à la multifragmentation appelée explosion coulombienne. En principe, l'explosion coulombienne permet d'imager la position des atomes au sein de la molécule pourvu que la durée de l'émission électronique reste faible devant les temps caractéristiques de vibration nucléaire. Aussi la résolution temporelle revêt-t-elle un aspect majeur de nos recherches afin d'être compétitif avec les techniques d'ionisation multiple sur accélérateurs dont les temps caractéristiques sont de l'ordre de la dizaine d'attosecondes. Outre sa compacité, l'intérêt de l'excitation laser réside dans les possibilités d'analyse temporelle de molécules excitées en utilisant les techniques pompe-sonde. Par ailleurs, les impulsions de quelques cycles optiques ouvrent la voie à l'étude de relaxations électroniques et nucléaires à l'échelle de la femtoseconde. Les molécules étudiées vont de l'hydrogène moléculaire aux polyatomiques simples. La réponse atomique et moléculaire est analysée grâce aux techniques de détection d'ions multichargés par temps de vol, de mesure d'impulsion initiale et d'énergie d'ion, de corrélations d'ions pour déterminer les voies de multifragmentation, et de fluorescence UVX.

Théorie Thomas-Fermi de l'ionisation multiple
M. Brewczyk (Université de Bialystok, Pologne)
L'ionisation multiple est appréhendée grâce à un modèle hydrodynamique de type Thomas-Fermi qui permet de traiter les systèmes multi-électroniques en champ laser intense de manière non perturbative. Les énergies cinétiques de multifragmentation de CO₂ and N₂O sont bien reproduites par le modèle.

Ph. Hering, Thèse de doctorat, Paris (1999)
Ph. Hering, M. Brewczyk, and C. Cornaggia, Phys. Rev. Lett. 85, 2288 (2000)

 "Matière sous conditions extrêmes" (SPAM) se composent de trois groupes de recherche 

 Attophysique

Le groupe ATTO étudie la production par génération d'harmoniques d'ordre élevé dans un

gaz d'impulsions de lumière dans l'extrême UV (10-100nm), de durée ultra-brève,

typiquement une centaine d'attosecondes (1as=10^-18s).......

♦ Contact

Dans les années 1990, l'explosion coulombienne de petites molécules a été étudiée avec des durées d'impulsion laser de plusieurs dizaines de femtosecondes. L'évolution de la distance internucléaire observée durant l'ionisation multiple a conduit au concept important d'ionisation exaltée par résonance de charge découvert par A. Bandrauk et coll. Récemment, nous avons montré que l'excitation de N₂ et CO₂ avec des impulsions de durée 10 fs permettait de réduire notablement la variation des coordonnées nucléaires durant l'ionisation multiple. En outre, les taux de fragmentation sont plus faibles avec les impulsions ultracourtes à cause de la loi d'échelle en 1/R des différents seuils d'ionisation multiple où R est la coordonnée nucléaire. Ces résultats ouvrent la voie à une imagerie moléculaire résolue en temps dans le domaine femtoseconde relativement simple à mettre en œuvre.

Collaborations : A. Huetz et al., Laboratoire d'Interaction des X Avec la Matière, CNRS Université Paris-Sud (Orsay, France)

La photoionisation à deux couleurs XUV/IR des gaz rares a été étudiée dans des expériences dites "complètes", où toutes les impulsions des électrons et des ions issus du même événement d'ionisation sont simultanément mesurées (corrélations vectorielles), à l'aide d'un spectromètre imageur utilisé en mode de coïncidences (développé par le LIXAM). Dans la photoionisation simple (PI) de He, les distributions angulaires manifestent des interférences entre les voies d'ionisation [O. Guyétand et al., J. Phys. B 41, 051002 (2008)]. L'interférence dépend du retard, à l'échelle attoseconde, entre impulsions XUV et laser, comme le montrent les simulations sur la figure, en bon accord avec les points expérimentaux qui correspondent à une moyenne. Réciproquement, les distributions angulaires mesurées dans la PI peuvent servir à caractériser la phase spectrale des impulsions XUV - c.-à-d. la structure temporelle attoseconde -, à côté d'autres méthodes telles que RABBITT (voir Impulsions attosecondes).

 "Matière sous conditions extrêmes" (SPAM) se compose de trois groupes de recherche :
 

 Attophysique                                            responsable : Bertrand Carré

 Physique à Haute Intensité                   responsable :  Philippe Martin 

 Matière à Haute Densité d'Energie     responsable :  Thomas Blenski

En suivant les liens ci-dessus, découvrez nos activités de recherche.

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Les sources laser de l'IRAMIS délivrent des impulsions courtes et intenses qui par interaction avec la matière produisent des états inhabituels dont les propriétés radiatives sont à l'origine de sources de rayonnement entièrement nouvelles. On a vu ainsi apparaître des sources sub-picosecondes de rayonnement XUV (harmoniques du laser) ou X (par interaction laser-solide ou laser-agrégats), mais aussi plusieurs schémas de laser X en impulsions courtes, source de neutrons rapides (réaction D-D induite par laser) ou de protons (SPAM).

Malgré la résistance des bases de l’ADN isolées en solution vis-à-vis du rayonnement UV, ce dernier peut néanmoins déclencher des réactions photochimiques conduisant à des mutations cancérigènes lorsqu’il est absorbé par la double hélice. Si les produits de ces réactions sont bien caractérisés, les processus fondamentaux qui précèdent leur formation ne sont pas encore compris. Nous travaux récents montent que :

• un photon UV n’est pas absorbé individuellement par une seule base mais collectivement par un ensemble de bases (excitons)
• un transfert d’énergie entre états excitoniques a lieu à des temps inférieurs à 100 fs
• l’organisation de bases au sein des hélices peut conduire à un abaissement de leur potentiel d’ionisation
• la formation des photo-adduits (6-4) dans une simple hélice (dT)₂₀ a lieu en 4 ms et implique un intermédiaire de réaction.

Publications et resumés

Despite the high UV resistance of the DNA bases in solution, such light may still trigger photochemical reactions leading to carcinogenic mutations when it is absorbed by the double helix. Although the end products of these reactions are well characterized, the fundamental processes leading to their formation are not yet understood. Our recent work shows that;

• a UV photon is not absorbed by individual bases but by collective states, delocalized over several bases (excitons)
• energy transfer between different excitonic states takes place via intraband scattering in less than 100 fs
• the organization of bases within the double helix can lead to a lowering of the ionization potential
• the formation of (6-4) photo-adducts in a single strand (dT) ₂₀ occurs within 4 ms and passes by a reaction intermediate

Publications and abstracts

Monomères en phase condensée

En parallèle de nos études de hélices modèles nous avons mesuré, par spectroscopie de fluorescence UV femtoseconde, les durées de vie et les déclins d'anisotropie de fluorescence de tous les bases, les nucléosides et les nucléotides en solution aqueuse, avec l'exception de la guanine; celle-ci n'étant pas suffisamment soluble.
En général, les déclins de fluorescence des constituants de l'ADN sont très rapides (< 1 ps). Leur vitesse de désactivation observée ne varie pas sensiblement avec la longueur d'onde d'observation et décroît légèrement lorsqu'on passe de la base au nucléotide. Grâce à la résolution temporelle de notre dispositif, nous avons pu mettre en évidence que, contrairement à ce qui a été annoncé dans la littérature, les déclins de fluorescence ne peuvent pas être décrits correctement par des fonctions mono-exponentielles. Cela montre que les processus de relaxation à l’état excité sont complexes. Une partie importante de la fluorescence totale (jusqu'à 75 % pour dA et dAMP) décroît à des temps inférieurs à notre résolution temporelle (< 100 fs).

Publications et resumés

The Peculiar Spectral Properties of Amino-Substituted Uracils: A Combined Theoretical and Experimental Study A. Banyasz, S. Karpati, Y. Mercier, M. Reguero, T. Gustavsson, D. Markovitsi, R. Improta, J. Phys. Chem. B 2010, 114, 12708–12719

Assessing solvent effects on the singlet excited state dynamics of uracil derivatives: A femtosecond fluorescence upconversion study in alcohols and D2O T. Gustavsson, A. Banyasz, N. Sarkar, D. Markovitsi, R. Improta, Chem. Phys.2008, 350, 186-192.

Effect of amino substitution on the excited state dynamics of uracil Á. Bányász, T. Gustavsson, E. Keszei, R. Improta, D. Markovitsi, Photochem. Photobiol. Sci. 2008, 7, 765-768.

Solvent effects on the steady-state absorption and emission spectra of the three pyrimidine bases uracil, thymine and 5-fluorouracil T. Gustavsson, N. Sarkar, Á. Bányász, D. Markovitsi, R. Improta, Photochem. Photobiol. 2007, 83, 595-599.

Solvent effect on the singlet excited state lifetimes of nucleic acid bases: a computational study of 5-fluorouracil and uracil in acetonitrile and water F. Santoro, V. Barone, T. Gustavsson, R. Improta, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 16312-16322.

Singlet excited state dynamics of uracil and thymine derivatives. A femtosecond fluorescence upconversion study in acetonitrile T. Gustavsson, N. Sarkar, E. Lazzarotto, D. Markovitsi, R. Improta, Chem. Phys. Lett. 2006, 429, 551-557.

Solvent effect on the singlet excited state dynamics of 5-fluorouracil in acetonitrile as compared to water T. Gustavsson, N. Sarkar, E. Lazzarotto, D. Markovitsi, V. Barone, R. Improta, J. Phys. Chem. B 2006, 110, 12843 - 12847.

Singlet excited state behavior of uracil and thymine in aqueous solution: a combined experimental and computational study of 11 uracil derivatives T. Gustavsson, A. Banyasz, E. Lazzarotto, D. Markovitsi, G. Scalmani, M. J. Frisch, V. Barone, R. Improta, J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 607-619.

Cytosine excited state dynamics studied by femtosecond absorption and fluorescence spectroscopy  A. Sharonov, T. Gustavsson, V. Carré, E. Renault, D. Markovitsi, Chem. Phys. Lett., 2003, 380, 173.

Photophysical properties of 5-methylcytosine  A. Sharonov, T. Gustavsson, S. Marguet , D. Markovitsi, Photochem. Photobiol. Sci. 2003, 2, 1.

Fluorescence properties of DNA nucleosides and nucleotides: a refined steady-state and femtosecond investigation D. Onidas, D. Markovitsi, S. Marguet, A. Sharonov, T . Gustavsson, J. Phys. Chem. B, 2002, 106, 11367.

Thymine, thymidine and thymidine 5'-monophosphate studied by femtosecond fluorescence upconversion spectroscopy T . Gustavsson, A. Sharonov, D. Markovitsi, Chem. Phys. Lett. 2002, 351, 195.

Adenine, deoxyadenosine and deoxyadenosine 5'-monophosphate studied by femtosecond fluorescence upconversion spectroscopy
T . Gustavsson, A. Sharonov, D. Onidas, D. Markovitsi, Chem. Phys. Lett. 2002, 356, 49.

Le cadre conceptuel dans lequel s’inscrit cette technique expérimentale est celui des coordonnées perpendiculaires à la coordonnée réactionnelle.

Prenons comme exemple la réaction photoinduite du calcium avec CH₃F. La méthode expérimentale employée utilise l’excitation par laser d’un complexe refroidi, non réactif à l’état électronique fondamental, formé du métal, Ca et de la molécule, CH₃F. Cette excitation provoque une forme de demi-collision en préparant un système réactif formé du métal excité et de la molécule, disposés l’un par rapport à l’autre selon leur position dans le complexe initial. Cette situation hors équilibre évolue vers la réaction ou vers la dissociation du complexe selon la nature de l’excitation. On attaque le problème de réactivité de manière spectroscopique en mesurant un spectre d’action (voir figure). Les distributions électroniques excitées qui sont créées dépendent des surfaces de potentiel accessibles optiquement. Les cordonnées qui conduisent ne conduisent pas directement à la réaction, les coordonnées perpendiculaires à la coordonnée réactionnelle, sont examinée par les modes de vibration du complexe. Pour un atome dans un état P cela signifie exciter des surfaces Σ ou Π tandis que l'on observera niveaux d’énergie vibrationnelle élargis par leur durée de vie, celle-ci étant d’autant plus courte que le mode vibrationnel considéré est mieux couplé à la réaction chimique (Cf figure).

Photoinduced biological processes are complex and can often be reduced to a series of sequential events after the absorption of the photon. Each of these steps, if separable, can be compared with the evolution of a much simpler system, mimicking its essential characteristics, a biomimetic system. This stems from the very local properties of the initial event where a small reaction centre has been excited, spatially limited within the biomolecule. Gas phase conditions provide the unique way to study these model systems.

Time-resolved photoion and photoelectron velocity mapped images from NO₂ excited close to its first dissociation limit [to NO(X²P) + O(³P₂)] have been recorded in a two colour pump–probe experiment, using the frequency-doubled and frequency-tripled output of a regeneratively amplified titanium–sapphire laser. At least three processes are responsible for the observed transient signals; a negative pump–probe signal (corresponding to a 266 nm pump), a very shortlived transient close to the cross-correlation of the pump and probe pulses but on the 400 nm pump side, and a longer-lived positive pump–probe signal that exhibits a signature of wavepacket motion (oscillations). These transients have two main origins; multiphoton excitation of the Rydberg states of NO₂ by both 266 and 400 nm light, and electronic relaxation in the ¹²B₂ state of NO₂, which leads to a quasi-dissociated NO2 high in the ¹²A₁ electronic ground state and just below the dissociation threshold.

Le mécanisme du harpon est souvent invoqué pour rendre compte de la réaction d’un atome métallique avec une molécule oxydante. Sous sa forme la plus simple, c’est un mécanisme à une dimension (1-D) où séquentiellement le métal approche du réactif, un électron passe du métal au réactif sans déformation de structure du réactif, suit alors une dissociation à 1-D de ce dernier, ce qui laisse un ion négatif en interaction avec l’ion métallique positif. Deux coordonnées sont à l’œuvre, mais pas ensemble.

L’isomère de l’acétylacétone (AcAc) le plus stable en phase gazeuse a la structure ci-contre. Le cycle à 6 atomes, fermé par une liaison hydrogène en est la propriété structurale majeure, partagée avec de nombreuses molécules organiques. Nous l’avons utilisé comme modèle pour étudier une réaction de transfert d’hydrogène photoinduite.

Le développement des nanotechnologies suscite de nombreuses interrogations vis-à-vis des nano-objets manufacturés. La question du risque écotoxicologique et/ou sanitaire est soulevée. L’état actuel des connaissances sur les effets biologiques des nanomatériaux montre qu’ils peuvent être toxiques, et très probablement que leurs effets toxicologiques dépendent de leurs caractéristiques physico-chimiques. Cependant, il est encore difficile de tirer des conclusions précises des études existantes. Notre laboratoire ayant une part importante de son activité tournée vers la synthèse de nanoparticules en quantité macroscopique (nanopoudres ou nanotubes), il nous est apparu fondamental de contribuer à la compréhension de leurs éventuels effets toxicologiques. Ainsi, nous avons tiré parti de la maitrise que nous avons de la synthèse de nanoparticules (oxydes ou non oxydes) par pyrolyse laser et de nanotubes de carbone par CCVD d’aérosol pour mettre à disposition des nano-objets aux caractéristiques physico-chimiques bien déterminées. Ceci a conduit à une série de collaborations fructueuses avec différentes équipes de biologistes.

The detection and analysis of toxic gases are of great importance in many areas, including the monitoring of air quality, the safety of workers in industrial plants, the control of industrial processes and the protection of the population against terrorists’ chemical weapons. Due to the large number and variety of toxic pollutants and the lack of a universal detection system, numerous methods and techniques have been proposed. However, most of the available techniques have several drawbacks in terms of the required high sensitivity and/or selectivity, and/or fast sampling time, especially when it is needed to detect low level of gas in the part per billion (ppb) range. Moreover, when these requirements are met, the resulting price is often prohibitive. Therefore, the development of versatile sensors which can be easily adapted to the detection of a wide range of pollutants is an important and significant challenge.
To this end, the “Chemical Sensors” team had proposed new ideas based on chemical sensors and had developed new strategies aimed at improving the trapping and detection of the pollutants.

Contact: thu-hoa.tran-thi@cea.fr

Introduction

Cette activité concerne l’élaboration et l’étude de structures nanocomposites à l’état solide, réalisées à partir de nano objets pré-synthétisés puis manipulés en milieu liquide (approche bottom-up). Cette approche présente l’intérêt de pouvoir étudier l’impact des modifications intervenant à l’échelle nanométrique sur les propriétés macroscopiques des nanostructures et donc de les optimiser. Elle est développée à partir de nano-objets modèles constitués de nanoparticules de platine fonctionnalisées par la 4-mercaptoaniline (particules mères) dont l’enrobage est chimiquement modifié pour former des nanoparticules présentant des caractéristiques variables et des compositions contrôlées. Les molécules greffées à la surface des nanoparticules dont le diamètre de cœur est d’environ 2 nm, rendent ces nano-objets manipulables en solution comme des molécules.

Dans le milieu vivant, les mécanismes, comme la respiration, producteurs d’énergie via le transport de petites molécules (O₂, CO, NO ...) impliquent des métalloporphyrines (molécules formées par la combinaison d'un métal et d'une porphyrine, molécules à structures cycliques impliquées dans le transport de l’oxygène).

Ce transport a lieu par fixation réversible de ces molécules sur le métal du site actif d’une hémoprotéine : l’hème, c'est-à-dire sur la protoporphyrine IX du fer. Cela fait intervenir des processus de ligandation et déligandation complexes résultant d’un équilibre subtil entre l’attraction métal–ligand, et l’attraction et la répulsion du ligand avec l’environnement de l’hème. La contribution relative de ces interactions est mal connue, d’où de nombreuses mesures sur l’énergétique des liaisons métal/ligand. Nombre d’entre elles sont issues de mesures de constantes d’équilibre en phase liquide qui ne permettent pas une comparaison directe avec des calculs théoriques. Cette limitation empêche la compréhension véritable du processus ligandation-déligandation.

Les mesures en phase gazeuse sont très appropriées à l’étude du processus primaire de ligandation/déligandation. Cela a motivé une collaboration, via les appels d’offre nationaux évoqués plus haut, puis largement poursuivie. La dynamique des états excités de ces systèmes a été étudiée sur un modèle : la tétraphényl porphyrine du ruthénium II liée à CO, excitée dans la bande de Soret à 400 nm par un laser femtoseconde. Cela a permis d’explorer la dynamique d’expulsion du ligand, via un état à transfert de charge porphyrine→métal auquel le système accède en 70 fs.

Pour en savoir plus...

Les spiropyranes et les spirooxazines sont deux classes de molécules photochromes dont les applications commerciales sont considérables. Par exemples, les spirooxazines sont utilisées dans les matériaux actifs à la lumière solaire et, plus encore, comme mémoire et comme interrupteur optique.

Ces molécules possèdent deux isomères dont les propriétés électroniques sont très différentes. Le point clé, responsable de leurs propriétés photochromiques, est la commutation d’un isomère à l’autre par absorption lumineuse. Le mécanisme de cette commutation est encore largement incompris malgré un grand nombre d’études en phase condensée. Il manque une information essentielle : le comportement propre de ces molécules après excitation lumineuse, hors solvatation.

The excited state dynamics of the tert-butyl radical, t-C₄H₉, was investigated by femtosecond time-resolved photoionization and photoelectron spectroscopy. The experiments were supported by ab initio calculations. Tert-butyl radicals, generated by flash pyrolysis of azotert-butane, were excited into the A ²A₁ (3s) state between 347 and 307 nm and the 3p band at 274 and 268 nm and ionized by 810 nm radiation, in a [1+2’] or [1+3’] process. Electronic structure calculations confirm that the two states are of s- and p-Rydberg character, respectively. The carbon framework becomes planar and thus ion-like in both states. 

Une avancée de la femtochimie en phase gazeuse est l’exploration des processus de relaxation dans les états excités des molécules de grande taille. Ceux-ci convertissent l’énergie électronique initiale en vibration intramoléculaire, ce qui assure la stabilité des molécules vis-à-vis de la lumière. Des croisements (coniques) entre surfaces de potentiel, rendent la relaxation rapide et efficace.

Nous avons examiné cette situation sur le tetrakis(dimethyl-amino) éthylène (TDMAE) qui possède une double liaison C=C : l’état excité V(ππ*) centré sur cette liaison se relaxe en moins de 500 fs vers un état excité zwitterionique C+C- (Z). La disparité de forme entre les orbitales V et Z pose le problème de l’origine d’une relaxation aussi rapide. La partie gauche de la figure montre qu’en fait, le transfert V→Z n’est pas direct. Un état de Rydberg (R) sert d’adaptateur entre V et Z. Plus récemment, nous avons examiné cette relaxation dans une phase condensée, simulée par un agrégat d’argon. La partie droite de la figure montre que pendant 1 ps environ, il y a disparition de la structure en trois états V, R, Z et que la structure électronique du système molécule-agrégat évolue continument au cours du temps.

Understanding the primary photophysical processes in molecules is essential for interpreting their photochemistry, because molecules rarely react from the initially excited electronic state. In this study the ultrafast excited-state dynamics of chlorophenylcarbene (CPC) and trifluoromethylphenylcarbene (TFPC), two species that are considered as models for carbene dynamics, were investigated by femtosecond time-resolved pump probe spectroscopy in the gas phase. Their dynamics was followed in real time by time-resolved photoionization and photoelectron imaging. CPC was excited at 265 nm into the 3 1A′ state, corresponding to excitation from a π-orbital of the aromatic ring into the LUMO. The LUMO contains a contribution of the p-orbital at the carbene center. Three time constants are apparent in the photoelectron images: A fast decay process with τ1 ≈ 40 fs, a second time constant of τ2 ≈ 350 fs, and an additional time constant of τ3 ≈ 1 ps. The third time constant is only visible in the time-dependence of low kinetic energy electrons. Due to the dense manifold of excited states between 3.9 and 5 eV, known from ab initio calculations, the recorded time-resolved electron images show broad and unstructured bands. A clear population transfer between the states thus can not directly be observed. The fast deactivation process is linked to either a population transfer between the strongly coupled excited states between 3.9 and 5.0 eV or the movement of the produced wave packet out of the Franck−Condon region. Since the third long time constant is only visible for photoelectrons at low kinetic energy, evidence is given that this time constant corresponds to the lifetime of the lowest excited A 1A′ state. The remaining time constant reflects a deactivation of the manifold of states in the range 3.9−5.0 eV down to the A 1A′ state.

J. Am. Chem. Soc., 2008, 130 (45), 14908-14909

Etudier des réactions chimiques dans un agrégat est un moyen élégant pour étudier les effets d’un milieu réactionnel sur la dynamique d’une réaction chimique. La technique « Cluster Isolated Chemical Reaction » (CICR) est particulièrement intéressante en ce domaine, de par sa souplesse : crée dans notre groupe cette technique permet de choisir un nombre connu d’atomes ou molécules réactives et de les mettre au contact d’un milieu, l’agrégat, dont la structure et la température est connue. L’agrégat joue successivement deux rôles : en premier lieu il sert à capturer collisionnellement les réactifs, ensuite il mime le solvant [1]. Une variante de cette technique va être utilisée dans le projet GOUTTELIUM.

[1] J.-M. Mestdagh, M. A. Gaveau, C. Gee, O. Sublemontier, and J.-P. Visticot, Cluster isolated chemical reactions, Int. Rev. Phys. Chem. 16, 215 (1997)

En pratique, nos motivations pour isoler des réactions sur agrégat de van der Waals (or l’helium) sont de plusieurs types :

• Utiliser la souplesse de la technique CICR pour créer un objet d’étude difficile à obtenir autrement, par exemple la molécule de van der Waals Ca2 et étant sûr de renseigner spectroscopiquement sur elle et pas sur des agrégats plus grands, Ca3 ...
• Déterminer la stoichiométrie exacte d’une réaction
• Etudier comment l’agrégat perturbe la réaction qui a lieu en sont sein. Deux effets existent : i) mécanique en gênant des mouvements, ii) électronique en modifiant la hauteur relative des différentes surfaces de potentiel qui participent aux réactions chimiques étudiées, voire en modifiant les surfaces elles même. L’interaction dipole induit/dipole stabilise en effet les surfaces de potentiel ou les zones de surface de potentiel correspondant à un transfert de charge par rapport à celles pour lesquelles il n’y a pas de transfert de charge.

Parmi les travaux récents illustrant ces propos, citons

• Transition State Spectroscopy of the Photoinduced Ca+CH₃F Reaction. I. A Cluster Isolated Chemical Reaction Study
• Transition state spectroscopy of the photoinduced Ca + CH₃F Reaction. II. Ab-initio and experimental studies of the free Ca··· FCH₃ complex
• Photodissociation de Ca₂ sur un agrégat Ar_n ou une gouttelette d’hélium

Anciens travaux:

• Spectroscopy of calcium deposited on large argon clusters
• Excited state reactions of metals on clusters: Full dynamics of the Ca* plus HBr reaction on Ar₂₀₀₀
• Spectroscopy and dynamics of calcium dimers deposited on large argon and neon van der Waals clusters

The time evolution of electronically excited vitamin B₁₂ (cyanocobalamin) has been observed for the first time in the gas phase. It reveals an ultrafast decay to a state corresponding to metal excitation. This decay is interpreted as resulting from a ring to metal electron transfer. This opens the observation of the excited state of other complex biomimetic systems in the gas phase, the key to the characterisation of their complex evolution through excited electronic states.

Chem. Phys. (2007)

We have investigated the fission following a Coulomb explosion in argon clusters (up to Ar₈₀₀) irradiated by a femtosecond infrared laser with moderate intensity IL ≈13 Wcm^-2. We report the a priori surprising observation of well-defined velocity distributions of the ionized fragments Ar_n<50. This is interpreted by the formation of a valence shell excited charged ion, followed by relaxation, charge transfer by autoionizing collision at very short distance, and asymmetric fission.

Sujets d'étude

Les études menées dans le groupe visent à comprendre et décrire les relations entre la microstructure d'un matériau et ses propriétés mécaniques comme ses propriétés de rupture par exemple. La concentration des contraintes autour des défauts et imperfections rendent celles-ci très sensibles au désordre de microstructure à une échelle relativement fine et rendent caduques toutes les méthodes d'homogénéisation classiques visant - pour calculer la ténacité ou la durée de vie d'un matériau - à le remplacer par un "matériau effectif" dont les propriétés seraient une moyenne de celle des différents éléments de microstructure qui le composent. Néanmoins, certains concepts issus de la physique statistique semblent être pertinents et permettre de prédire certains de ces comportements. Les recherches menées dans le groupe visent à mettre au point ces descriptions statistiques et les valider en les confrontant à des expériences modèles. Dans le même esprit, nous cherchons à comprendre comment relier la rhéologie des écoulements plastiques dans les matériaux désordonnés (verres d'oxyde et milieux granulaires par exemple) au comportement des constituants microscopiques au travers de descriptions statistiques.

PERPETUALLY UNDER CONSTRUCTION

Interacting magnetic (single-domain) nanoparticles

Single domained ferro- or ferri-magnetic nanoparticles with unique anistropy axis (easy-magnetization axis) are superparamagnetic (SPM) in the absence of inter-particle interactions. That is, the magnetic moment of a particle can fluctuate randomly by thermal fluctuations at high enough temperatures, just as an atomic spin in a paramagnetic material. At low temperatures, the thermal energy becomes smaller than the anisotropy barrier energy inducing particles' magnetic moments to be blocked in the direction of the easy-magnetization axis. This blocking of magnetic moments occur at the temperature T_B determined by the particle's size and its composition.

When nanoparticles are sufficiently close to one another, the random, long-range dipole-dipole interactions create a collective phase at low temperatures. Such concentrated nanoparticle assemblies can be made into regular crystal lattice or in a completely random configuration when dispersed in fluid media such as water, oil, or glycerol. In these systems, the dipole-dipole interaction energy added to the individual partciles' anisotropy energy pushes the 'blocking' temperature higher. In some cases of concentrated, monodisperse nanoparticles in frozen media (called ferrofluids) a magnetic state of Superspin Glass has been witnessed. This state is analogous to atomic spin glass states in which the randomness of spin interactions create frustration among them such that a true ground state can never be reached. The name 'superspin' has its origin in the individual nanoparticle's large magnetic moment (e.g. 10⁴ μ_B per particle of γ-Fe2O3 with 8.6nm diameter). Emblematic sign of spin-glass behavior such as the critical slow down near transition temperature as well as the aging and memory effects (although small) have been observed in frozen ferrofluids.

In our group, we have focused our research effort on the Out-of-Equilibrium dynamics in the superspin glass state of concentrated maghemite ferrofluids. More specifically, we have examined the aging behavior through the thermoremanant magnetization, the AC susceptibility relaxation and zero-field cooled magnetization measurements through which the growing number of correlated superspins has been extracted. Recently, we have investigated the effect of textruization (the anisotropy axis alignment) on the aging dynamics of ferrofluid superspin glass. These experimental studies were conducted using a bulk SQUID magnetometer (CRYOGENIC^(TM) S600).

SPEC is involved in many collaborations within the CEA as well as at the national and international levels. Here are examples of our past and present collaboration research projects.

1. Within CEA
   1. Matter Science Division (DSM)
      • IRFU (Astrophysics): Turbulence in interstellar matter, elaboration of phase contrast mirrors for infrared spectrometers
      • IPhT (Theory): Glassy matter, dynamo, etc.
      • LSCE (Climatology): models inspired by statistical physics
   2. Life Science Division (DSV): renaturation of DNA fragments at interfaces
   3. Technological Research Division (DRT)
      • "Chimtronics" and "Nanoscience" programs link basic and applied science in quantum and molecular electronics
   4. Defense Research Division (DAM): NRBC (Nuclear, Radiological, Biological and Chemical risks) program: magnetic and nanotube sensors


2. National and International Collaborations
   1. Numerous joint research projects with CNRS and University laboratories.
   2. "Groupements de Recherche" (GDR)
   3. Regional research programs such as "C'nano", "ISC-IdF" (Institute for Complex Systems of Ile-de-France) and "RTRA-Triangle de la Physique".
   4. Involved in a dozen of international collaboration projects via the 6th and 7th European Framework Program (FP6, FP7). 

L'APSC (Action Physique & Systèmes Complexes) est une structure interne à l'IRAMIS, qui a pour but de rassembler toutes les personnes  et les laboratoires intéragissant avec l'Institut des Systèmes complexes d'Ile de France : ISC-IdF,  membre du Groupement d’intérêt scientifique (GIS) Réseau National des systèmes Complexes.

L'APSC est animé par François Daviaud et Hughes Chaté.

                  

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