Faits marquants scientifiques 2012

Tout objet dans un état de superstition d'états quantiques mais non isolé, perd sa cohérence (décohérence quantique) et seuls les états observables macroscopiquement sont finalement observables.

Des chercheurs du SPEC ont réussi pour la première fois à contrôler la cohérence quantique des électrons d'un conducteur (quasi-particules) en présence d'un champ magnétique intense (8 Teslas, i.e. en régime d'effet Hall quantique entier). Les longueurs de cohérence quantique ont pu être augmentées d'un facteur deux en modifiant le couplage du conducteur quantique avec son environnement, grâce à des grilles de polarisation judicieusement placées.

Le contraste des franges d'interférences en sortie d'un interféromètre électronique est un bon reflet de cette cohérence. Cette expérience a ainsi permis de comprendre la dépendance de la visibilité des interférences quantiques en fonction de l'énergie des électrons injectés.

La réalisation de composants électroniques à base de graphène est aujourd'hui un défi technologique plein de promesses, puisque l'on peut espérer bénéficier de la mobilité électronique exceptionnelle au sein de ce matériau, constitué d'un seul plan atomique d'atomes de carbone. Autre défi, la réalisation de composants électroniques organiques (électronique "souple"), permettant la réalisation de composants de haute performance à bas coût. A la convergence de ces 2 objectifs, l'équipe du LEM de l'IRAMIS/SPEC, en collaboration avec l'IEMN (Lille) et l'Université Northwestern (Depts. Mat Science and Enginering / Chemistry, Illinois, USA) a élaboré un nouveau procédé original de réalisation de transistors haute fréquence (GHz) basé sur une technique d'impression utilisant du graphène en suspension dans l'eau, stabilisée par des tensioactifs.

Stabiliser des gouttes d’huile dans l’eau n'est pas si simple, ces deux liquides ayant une tendance naturelle à se séparer afin de minimiser l'aire de leur interface de contact. Ceci est pourtant indispensable dans la vectorisation de certains médicaments, ou la réalisation de crèmes en cosmétique. Inversement, on peut aussi rechercher à empêcher la dissolution de particules actives et solubles dans un solvant. Dans ce cadre, la dispersion contrôlée de gouttelettes, stabilisées dans l’eau par des méthodes de nanostructuration, fait partie des approches possibles.

Des chercheurs du CEA, de l’ECE-Paris, du CNRS et de l’Université Paris-sud ont réalisé un travail innovant sur cette problématique, en explorant par des techniques de diffusion de neutrons, la distribution de gouttelettes au sien d'un colloïde, stabilisé de façon originale par l'association de deux principes : la dispersion de particules cristallisées en milieu organique, et leur stabilisation dans l’eau par un enrobage avec des particules d'argiles nanométriques. Ce travail présenté dans Soft Matter du 28 octobre 2012 ouvre de nouvelles perspectives d’applications susceptibles d’intéresser les entreprises pharmaceutiques ou de cosmétiques.

En biologie et médecine, l'histopathologie est l'évaluation clinique des tissus, pour laquelle la RMN, technique incontournable, permet de déterminer la structure chimique des prélèvements. L’enjeu est ici de trouver une instrumentation et une méthode de RMN pour l'analyse automatisée de la composition métabolique des très petites quantités de matière biologique. La spectroscopie RMN haute résolution en rotation à l’angle magique (HRMAS : High-Resolution Magic Angle Spinning) présente justement l'avantage de permettre l'analyse de très faibles quantités (10 mg) avec une grande sensibilité.

Au-delà de cette technique, les chercheurs du NIMBE ont proposé une méthode de mesure à base de micro-bobines tournantes (MACS : Magic-Angle Coil Spinning) [1], dont le développement a été poursuivi dans 2 directions :

• l'évaluation du potentiel et des limites de la méthode pour l'étude clinique de biopsies
• le développement d'une méthode de micro-fabrication automatisée de résonateurs MACS, indispensable pour la diffusion de la méthode et le contrôle des coûts.

Avec les avancées des traitements du cancer utilisant des faisceaux d’ions (proton- et hadron-thérapie) [1], l’étude de l’interaction entre des particules ionisantes et des molécules d’intérêt biologique connaît un fort développement afin de comprendre les processus fondamentaux intervenant à l’échelle moléculaire. Les dommages induits par irradiation des tissus biologiques peuvent notamment se traduire par la rupture de certaines liaisons chimiques au sein de systèmes biomoléculaires complexes.

L’équipe AMA (Atomes, Molécules, Agrégats) de l’IRAMIS/CIMAP (Centre de Recherche sur les Ions, les Matériaux et la Photonique) à Caen, en collaboration avec l’équipe de chimie théorique de l’Université Autonome de Madrid en Espagne s’est intéressée à l’irradiation d’acides aminés en phase gazeuse avec des ions multichargés de basse énergie, et a obtenu une détermination complète de la dynamique de fragmentation de ces systèmes moléculaires complexes.

Les molécules ionisées interviennent dans beaucoup de réactions chimiques, et participent pour une part importante à la chimie de la très haute atmosphère ou des nuages interstellaires. Les données sur la spectroscopie vibrationnelle de ces ions sont ainsi indispensables pour mieux comprendre la dynamique et l'énergétique de ces milieux dilués.

Les spectroscopies de photoélectrons sont des méthodes de choix pour caractériser ces molécules et leurs états vibrationnels, mais sont souvent inopérantes lorsque la structure de la molécule neutre est très différente de celle de l'ion. Le Laboratoire Francis Perrin (URA 2453, CEA - CNRS) en collaboration avec l’équipe de Chimie Théorique du Laboratoire Modélisation et Simulation Multi Echelle (MSME UMR 8208 CNRS, Univ Paris-Est Marne-La-Vallée) a participé à la mise au point d'une nouvelle méthode de spectroscopie permettant d'atteindre les données recherchées, difficilement accessibles par les méthodes usuelles.

L'interaction d'une impulsion laser ultracourte de forte intensité avec une surface solide génère un plasma dense d'où sortent des faisceaux de particules de haute énergie. La conversion d'énergie lumineuse en énergie (cinétique) des particules peut être optimisée en modulant à l'échelle de la longueur d'onde du laser la surface de la cible, de façon à exciter de façon résonnante une onde plasma de surface. Dans ce cas, les simulations montrent non seulement la présence d'un champ électrique oscillant localisé sur la surface et plus intense que le champ du laser, mais aussi la génération, pendant la durée de l'impulsion, d'un champ magnétique statique extrêmement intense (> 10⁴ T !). Ces champs contribuent conjointement au confinement des électrons du plasma et à l'accélération efficace des protons éjectés.

Comprendre l'origine des nouvelles supraconductivités est un enjeu majeur et incontournable pour le développement de ces matériaux et de leurs applications actuelles et futures. Antérieurs aux pnictures récemment découverts, les cuprates détiennent toujours le record de température pour la supraconductivité. Pour cette classe de matériau le magnétisme joue un rôle central dans le diagramme de phase qu'il faut donc explorer, en lien étroit avec les propriétés de supraconductivité.

Une collaboration de chercheurs allemands, chinois et français du laboratoire Léon Brillouin (LLB) ont exploré par diffusion de neutrons polarisés en spin le diagramme de phase magnétique de ces composés ainsi que les différents modes d'excitations magnétiques associés. L'ensemble des modes accessibles prédits par la théorie originale des boucles de courants de C. M. Varma, attribuant une cause magnétique à l'origine de la supraconductivité dans ces composés, ont ainsi été observés.

Un des enjeux actuels de l’ingénierie moléculaire est le stockage de l’information à l'échelle de la molécule unique. Un point-clé dans ce domaine est la maîtrise des paramètres qui régissent l’anisotropie magnétique moléculaire. Entre autre, il est indispensable de comprendre les relations magnéto-structurales qui jouent un rôle essentiel dans cette anisotropie.

Les mesures macroscopiques de susceptibilité magnétique et d’aimantation ne donnent accès qu’au comportement global du matériau d’où la nécessité d’une méthode d’investigation au niveau microscopique. Une équipe du Laboratoire Léon Brillouin a montré que la diffraction de neutrons polarisés fournit un outil très performant pour l’étude de l’anisotropie magnétique dans le domaine du magnétisme moléculaire qui permet, grâce à l’approche des tenseurs locaux de susceptibilité magnétique, de visualiser les moments magnétiques sur chaque site atomique de la molécule.

La turbulence d'un liquide conducteur permet l'émergence spontanée d'un champ magnétique par effet dynamo. Nous présentons la première mise en évidence expérimentale d’un champ magnétique spatialement localisé, engendré par cet effet dynamo.

Ce résultat a été obtenu dans l’expérience VKS (Von Karman Sodium), dans laquelle du sodium fondu est agité par 2 turbines. L'effet est observé lorsque celles-ci tournent à des vitesses de rotation légèrement différentes au-delà d’un seuil critique. Cette localisation forte du champ magnétique, déjà observée dans les dynamos astrophysiques, est en bon accord avec la prédiction d’un modèle couplant des modes magnétiques dipolaire et quadripolaire.  

L'émergence d'un ordre au sein d'une assemblée d'objets en interaction est toujours fascinante à étudier. L'observateur est alors face à de nombreuses questions sur l'origine profonde de cet ordre et les conditions de son apparition. Il est ainsi observé l'apparition de mouvements collectifs à deux dimensions de filaments polymériques déplacés par des moteurs moléculaires. Par une étude statistique du phénomène, il a été possible de remonter aux interactions élémentaires à l'échelle moléculaire responsables de cette organisation. Ce résultat, publié dans la revue Nature, montre que, dans le cas présent d'objets biologiques, des interactions locales simples peuvent être à l'origine de phénomènes émergeants complexes.