Pages scientifiques 2009
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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 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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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.
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.
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).
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.
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.
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.
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).
Ultrafast Excited-State Deactivation of 8-Hydroxy-2′-Deoxyguanosine Studied by Femtosecond Fluorescence Spectroscopy and Quantum-Chemical Calculations
P. Changenet-Barret, T. Gustavsson, R. Improta, D. Markovitsi
J. Phys. Chem. A 2015, 119, 6131–6139.
A joint experimental/theoretical study of the ultrafast excited state deactivation of deoxyadenosine and 9-methyladenine in water and acetonitrile
T. Gustavsson, N. Sarkar, I. Vayá, M.C. Jiménez, D. Markovitsi, R. Improta
Photochem. Photobiol. Sci. 2013, 12, 1375 - 1386.
The effect of methylation on the excited state dynamics of aminouracils
T. Gustavsson, R. Improta, Á. Bányász, I. Vaya, D. Markovitsi
J. Photochem. Photobiol. A 2012, 234, 37-43.
Femtosecond fluorescence studies of DNA/RNA constituents
T. Gustavsson, A. Banyasz, R. Improta, D. Markovitsi
J. Phys. : Conference Series 2011, 261, 012009.
Excited-State Dynamics of dGMP Measured by Steady-State and Femtosecond Fluorescence Spectroscopy
F. A. Miannay, T. Gustavsson, A. Banyasz, D. Markovitsi
J. Phys. Chem. A 2010, 114, 3256-3263.
DNA/RNA Building Blocks of Life Under UV Irradiation
T. Gustavsson, R. Improta, D. Markovitsi
J. Phys. Chem. Letts. 2010, 1, 2025-2030.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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)
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.
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.
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).
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).
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.
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 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).
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.
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
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.
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
Anciens travaux:
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Arn<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.
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.
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.
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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.
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 TB 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 μB 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).
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 
(ηx, ηy) 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 TR.
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.
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
