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Univ. Paris-Saclay

Faits marquants scientifiques 2023

25 janvier 2023

Les cristaux ioniques à large bande interdite, et donc transparents pour la lumière visible, présentent des états électroniques bien spécifiques au niveau des défauts cristallins (lacune ou interstitiel). Ces "centres colorés" sont optiquement actifs et leur excitation produit une absorption de la lumière dans le domaine visible, responsable de la coloration des cristaux (reconnus alors comme "pierres précieuses"). Comprendre le mécanisme de création de ces centres colorés est important pour maîtriser leur utilisation en tant qu’émetteur ou détecteur de lumière, et également pour la manipulation de leurs propriétés de spin, et leur utilisation potentielle en tant que bit quantique (qubit) pour les applications en informatique quantique.

Dans le nitrure d’aluminium (AlN, présentant un gap de ~ 6 eV), le défaut complexe neutre, constitué d'une lacune / oxygène (VAl-ON), présente les caractéristiques nécessaires pour porter un qubit (système à 2 niveaux). Un tel centre peut se former au cours de la croissance du matériau en présence d’impuretés contenant de l’oxygène ou par irradiation ionique.

Les chercheurs du CIMAP ont étudié la formation de ce type de centre coloré par irradiation en utilisant les ions lourds rapides (SHI) du GANIL. Les irradiations sont réalisées sous différentes atmosphères contrôlées (vide, pression partielle d’oxygène ou de gaz rare) pour étudier les effets couplés de la création de défauts ponctuels et l’introduction/diffusion d'impuretés dans la couche d'AlN. Par un réglage fin de l'atmosphère d'irradiation, l'activation ou l'inhibition de ces centres colorés peuvent être contrôlées.

21 novembre 2023

La possibilité de produire des flashs de lumière de durée attoseconde offre l'outil nécessaire pour suivre la dynamique des électrons dans les atomes, les molécules ou la matière condensée, ce qui permet de mieux comprendre l'organisation et l'évolution de tout ce qui nous entoure. Ces impulsions laser ultra-courtes peuvent être obtenues par génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE), pierre angulaire de la science attoseconde. Les découvreurs au LIDYL de cette technique ont été récompensés par le Prix Nobel de Physique 2023.

Le processus est principalement compris, sous sa forme classique, comme l'interaction d'un champ laser très intense avec la matière. Une nouvelle expérience menée par l'équipe ATTO du LIDYL montre que le processus peut maintenant être aussi compris comme une superposition de processus photoniques quantifiés et simultanés. Pour ceci, deux faisceaux laser non colinéaires sont focalisés sur le milieu générateur pour produire la GHOE. En jouant sur l'intensité relative et les profils spatiaux des deux faisceaux d'entrée, il est montré que la génération d'une harmonique résulte de l'addition cohérente de plusieurs processus qui interférent : au-delà du nombre minimum de photons requis pour produire une harmonique donnée, chaque canal implique une ou plusieurs paires de photons supplémentaire, associées à la combinaison d'autant d'absorptions et d'émissions stimulées.

Un modèle très simple dénombrant les différentes voies contributives est proposé et permet de rendre compte des résultats expérimentaux. Cette approche est un nouveau pas décisif dans la longue quête d'une "image photonique" de la GHOE, qui offre de nouvelles pistes de réflexions sur les processus quantiques en jeu dans le régime en champ fort.

10 octobre 2023

Pierre Agostini est un physicien français pionnier de la physique ultrarapide à l’échelle de l’attoseconde (le milliardième de milliardième de seconde), actuellement Professeur émérite à l’Université d’état de l’Ohio. Le Prix Nobel de physique 2023 lui a été décerné le 3 octobre 2023, pour ses travaux effectués pendant sa carrière au CEA-Saclay. Il partage ce prix avec sa collègue, Anne L’Huillier, qui travaillait dans le même laboratoire du CEA, et Ferenc Krausz de l'Institut Max-Planck d'optique quantique, à Munich.

Par ses études pionnières de l’ionisation atomique en champ laser intense, Pierre Agostini a forgé les outils de la métrologie attoseconde, qui allaient lui permettre de mesurer les flashs de lumière les plus brefs jamais produits, ouvrant la voie à leur utilisation pour sonder les mouvements électroniques dans la matière.

07 octobre 2023

Anne L’Huillier est une physicienne franco-suédoise pionnière de la physique ultrarapide à l’échelle de l’attoseconde (le milliardième de milliardième de seconde). Pour ses travaux, le Prix Nobel de physique 2023 lui a été décerné le 3 octobre 2023, ainsi qu'à son collègue du CEA-Saclay, Pierre Agostini, et Ferenc Krausz de l'Institut Max-Planck d'optique quantique, à Munich.

En montrant en 1987 dans son laboratoire du CEA (le LIDYL aujourd'hui) qu'il est possible de produire des flashs de lumière attosecondes, les plus brefs jamais obtenus, Anne L’Huillier a apporté les méthodes pour étudier et contrôler les mouvements des électrons dans la matière, un domaine de recherche en plein essor à l’échelle internationale.

 

11 septembre 2023

L'électron est porteur de la charge électrique élémentaire et d'un spin. Avec l'avènement de la spintronique (ou électronique de spin), ou encore le fait que le spin peut être le support de l'information quantique (qubit), les recherches se poursuivent pour mieux comprendre et maitriser la dynamique du spin de l'électron.

Par des expériences conduites sur la plateforme laser ATTOlab du LIDYL au CEA-Saclay, une collaboration de scientifiques a réussi à étudier la dynamique de relaxation ultrarapide du spin de l'électron dans un cristal de WSe2, semi-conducteur dont la structure en feuillets bidimensionnels lui confère une structure électronique bien particulière. Le dispositif expérimental combine des impulsions laser ultrarapide, générées par optique non linéaire extrême et la spectroscopie de photoélectrons résolue en spin.

 

11 juillet 2023

Depuis les débuts de la science ultrarapide, le Laboratoire Interactions DYnamiques et Lasers (LIDYL) développe des sources lasers pulsées toujours plus performantes, afin d’explorer la matière diluée et condensée à des échelles de temps toujours plus fines, atteignant le domaine attoseconde (1 as=10-18 s).

Au début des années 90, une première révolution technologique a permis l’essor considérable du domaine, avec l’avènement des lasers Titane:Saphir, combinés à la technique d’Amplification à Dérive de Fréquence (CPA)*. Ce type de laser, permettant de générer par conversion de fréquence des impulsions attosecondes, s'est généralisé dans les laboratoires étudiant la dynamique ultrarapide, et la plateforme ATTOLab du LIDYL a été construite autour de ces dispositifs.

Ces dernières années, les performances des lasers basés sur l’ytterbium (milieu amplificateur : cristal de KGd(WO4)2, dopé Yb3+) ont fortement progressé : couplées à des techniques de postcompression temporelle, ces sources laser concurrencent maintenant celles des lasers Ti:Saphir (cristal de saphir Al2O3 dopé Ti3+) et ouvrent une nouvelle ère pour l’attophysique. La plateforme ATTOLab, dans sa volonté de rester à la pointe des performances, opère ainsi une migration d’ampleur vers ces systèmes pour l'année 2024 : quatre lignes de lumière attoseconde pilotées par lasers Ytterbium remplaceront les lignes Ti:Saphir existantes, avec des performances améliorées en terme de taux de répétition (40 à 100 kHz)  et fiabilité, associées à un moindre coût de fonctionnement, et une efficacité énergétique de l'ensemble de la chaine laser, 6 fois supérieure à celle des lasers Ti:Saphir.


 

*La CPA consiste à étendre dans le temps une impulsion laser avec des éléments dispersifs, afin de pouvoir l'amplifier sans dommage pour les éléments optiques, puis à la recomprimer temporellement.
03 avril 2023

La génération d’harmoniques d’ordre élevé (n > 10) dans un solide est un processus extrêmement non-linéaire, qui peut être observé lorsqu’un cristal interagit avec un champ laser intense. Elle se traduit par l’émission d’un rayonnement composé de tout un ensemble d'harmoniques de la fréquence du laser excitateur. Plusieurs mécanismes électroniques sont cependant évoqués pour rendre compte de cette observation : transition interbande ou oscillation des électrons intra-bande au sein de la bande de conduction.

L'étude par une équipe du LIDYL/DICO, en collaboration avec le Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD), du processus sur un cristal de GaAs permet d'identifier sans ambiguïté les contributions de chacun de ces mécanismes, grâce à la structure électronique bien particulière du cristal.

Cette étude éclaire ainsi d'un jour niveau la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans un solide, étape indispensable pour permettre le développement d'une future optoélectronique à la fréquence pétahertz (1015 Hz).

 

17 mars 2023

La spectroscopie utilise largement les effets de polarisation de la lumière pour explorer la structure électronique d'atomes, molécules ou de solides. En particulier une polarisation circulaire indique que la lumière porte un moment angulaire de spin (MAS) non nul, permettant les spectroscopies de dichroïsme circulaire. Un autre mode de polarisation, où le front d'onde est en rotation, est défini par son moment angulaire orbital (MAO). Ces deux moments angulaires (MAS et MAO) portés par les photons sont quantifiés par valeurs entières.

De façon étonnante, il a été récemment établi qu’on peut définir d’autres types de moment angulaire pour les faisceaux de lumière, tout aussi valides. Certains faisceaux, dont la polarisation est topologiquement équivalente à un ruban de Möbius (avec une périodicité d'une double rotation du front d'onde pour retrouver la situation initiale), portent ainsi un moment angulaire généralisé (MAG = MAO+1/2 MAS) quantifié par valeurs demi-entières : 1/2, 3/2, etc.

Ici, des expériences, menée par l'équipe ATTO du LIDYL et leurs collègues, montrent que le MAG peut être transféré à des harmoniques d'ordre élevé, et que les harmoniques conservent la topologie exotique du champ générateur. Ces travaux ouvrent de nouvelles possibilités en spectroscopie atomique et moléculaire, en particulier pour l'étude d’objets chiraux.

07 juin 2023
Le LLB et le SPEC s'équipent d'un four à image pour la croissance de monocristaux par la méthode de fusion de zone flottante. Cet équipement permettra de réaliser des monocristaux orientés de taille centimétrique et de haute pureté chimique, pour l’étude des matériaux quantiques (composés supraconducteurs, multiferroïques ou multifonctionnels...), jusqu’au magnétisme quantique dans des systèmes de basse dimension.

 

20 avril 2023

Les clusters métalliques dans la gamme de 10-300 atomes (diamètre 1 à 2 nm) forment une classe spécifique de matériaux dont les propriétés dépendent fortement de leur taille en raison de la discrétisation de leurs niveaux d’énergie. Cette spécificité leur apporte des propriétés originales pouvant ouvrir de multiples applications dans des dispositifs électroniques, optiques ou catalytiques. Ces applications exigent cependant d’exploiter la réponse collective d'assemblages, avec une organisation contrôlée de ces clusters, dont le plus prometteur, bien que difficile à réaliser, requiert la formation de films minces organisés à grande échelle.

L'équipe du LLB en collaboration avec le Département de Chimie-Physique de Genève, a ainsi étudié la formation et le dépôt de films minces de nanoclusters d’or stabilisés par un thiolate (Au38-R), par la technique de Langmuir-Blodgett (LB), afin d'obtenir des films bien organisés à grande échelle. Les propriétés structurales des films déposés sont caractérisées par la réflectivité de rayons-X, et les propriétés mécaniques sont sondées quantitativement par une technique originale : la microscopie à force atomique bimodale, à double cantilevers de rigidité contrastée.

25 janvier 2023

Les alliages à "haute entropie" forment une nouvelle classe de matériaux cristallins, qui se caractérise par des variations aléatoires dans la composition chimique de chaque maille, sans altérer l’ordre géométrique à longue distance. Constitués d'un mélange de type "solution solide" d'au moins 4 métaux, ces matériaux au désordre partiel (chimique) possèdent des propriétés thermiques qui relèvent à la fois des cristaux, avec des modes de vibrations thermiques (phonons) bien définis, et des verres, avec une longueur de propagation de ces phonons bien plus courte que celles des cristaux.

Ces cristaux chimiquement désordonnés présentent ainsi une faible conductivité thermique, qui pourrait être exploitée en thermoélectricité (conversion directe de chaleur en électricité par effet Seebeck).

 

13 juillet 2023

La caractérisation d’espèces paramagnétiques au sein d'un échantillon par Spectroscopie de Résonance Paramagnétique Électronique (RPE, ou en anglais Electron Spin Resonance- ESR) a de multiples applications en chimie, biologie, et même en archéologie et dosimétrie. Cette technique, vieille de 80 ans, consiste à mesurer l’absorption de rayonnement micro-onde par des spins électroniques à leur fréquence de résonance, grâce à un résonateur pour la détection.

L'équipe quantronique du SPEC et ses collaborateurs développent depuis 10 ans un programme de recherche visant à utiliser l’extrême sensibilité des circuits supraconducteurs en régime quantique (refroidis à 10 mK) pour effectuer la spectroscopie RPE d’un unique spin. À la suite d’améliorations successives de la sensibilité, cet objectif ultime vient d'être atteint, au moyen d'un compteur de photons micro-ondes basé sur un qubit supraconducteur de type transmon.

21 juin 2023

Le verre est un matériau de la vie courante. Le terme désigne aussi toute une classe de solides, verres minéraux, organiques, métalliques..., dont on cherche à mieux définir et mieux comprendre la structure désordonnée, à l'origine de leurs propriétés bien spécifiques.

Un verre est généralement issu d'un liquide dont la viscosité augmente lorsque l'on abaisse sa température. Les liquides surfondus, qui se trouvent dans un état liquide métastable sous leur température de cristallisation, voient ainsi leur dynamique à l’échelle moléculaire ralentir fortement lorsqu’ils sont refroidis. Sous la température Tg, dite de transition vitreuse, elle peut devenir si lente que le système apparait alors figé dans cet état hors équilibre, et on parle alors de verre.

Aux alentours de Tg, l’évolution des propriétés physiques du liquide qui tend à revenir à son état d’équilibre après avoir été déstabilisé par exemple par un changement de température, caractérise le "vieillissement physique", dont les mécanismes restent aujourd'hui très mal connus. Son étude renseigne sur les mécanismes de relaxation moléculaire. Le temps moyen de relaxation1 τα dépendant très fortement de la température, il a été montré que le vieillisement comporte un aspect non linéaire, dès que les échelons de température (ΔT) dépassent quelques kelvins. Ainsi, lors d'un refroidissement, la relaxation devient de plus en plus lente, au fur et à mesure que le système se rapproche de son état d’équilibre,

Un dispositif expérimental original, capable d'appliquer un traitement thermique rapide et de grande amplitude, permet de placer le système dans une situation fortement hors équilibre, pour laquelle le vieillissement se révèle alors très fortement non linéaire.

07 juin 2023
Le LLB et le SPEC s'équipent d'un four à image pour la croissance de monocristaux par la méthode de fusion de zone flottante. Cet équipement permettra de réaliser des monocristaux orientés de taille centimétrique et de haute pureté chimique, pour l’étude des matériaux quantiques (composés supraconducteurs, multiferroïques ou multifonctionnels...), jusqu’au magnétisme quantique dans des systèmes de basse dimension.

 

08 février 2023

Du fait de ses propriétés électroniques très spécifiques, le graphène, simple feuillet d'épaisseur atomique de graphite, est largement étudié et de multiples applications potentielles sont proposées avec la réalisation de capteurs, de batteries… et aussi de matériaux composites.

Depuis cette découverte en 2004, d'autres matériaux 2D aux propriétés spécifiques ont été élaborés, tel que le phosphorène en 2014, avec ses deux structures bleue et noire.

La collaboration entre l'ISMO, le Synchrotron Soleil, les Universités UCF-USA et Mohammed V-Maroc, associée à un théoricien du SPEC, montre que le phosphorène bleu présente effectivement une structure électronique au niveau de Fermi comparable à celle du graphène. De quoi ouvrir de nouvelles applications potentielles ?

 

13 septembre 2023

Le graphène, matériau bidimensionnel, possède des propriétés mécaniques et électroniques remarquables pouvant permettre de multiples applications : renforcement de matériau composites, dispositifs de stockage d'énergie électrique… La réduction de taille de ce matériau 2D, en éléments de taille nanométriques bien calibrées lui apporte de nouvelles propriétés originales qui méritent d'être plus largement étudiées. Encore faut-il savoir préparer ces objets, soit par une découpe contrôlée de la taille des feuillets, soit par synthèse chimique.

C'est par cette dernière voie, bien maitrisée par l'équipe du CEA Paris-Saclay (IRAMIS/NIMBE UMR 3685) en collaboration avec l’ENS Paris-Saclay (LuMIn, FRE 2036), l’Université de Mons (Belgique) et l’Université de Varsovie (Pologne), qu'a pu être synthétisé et étudié une famille de nanoparticules de graphène allongées comportant 78, 96, 114 et 132 atomes de carbone sp2 (Voir figure ci-dessous). Ces particules se distinguent par leur très bonne solubilité due à de très faibles interactions π-π, ce qui permet une manipulation aisée et une description très précise de leurs propriétés en lien avec la théorie.

Autre propriété également intéressante : elles présentent une émission dans le rouge et le proche infrarouge avec des rendements quantiques de photoluminescence entre 90 et 95%, ce qui n’avait jamais été obtenu pour ce type de composés à ces longueurs d’onde. Ce travail a été publié dans la revue Nature Communications.

 

29 juin 2023

Du fait de leurs propriétés, les nanoparticules de dioxyde de titane sont largement utilisées dans les produits de consommation, notamment comme additif alimentaire, dans les cosmétiques ou comme pigment. Jusqu’à présent, elles étaient considérées comme chimiquement stable et insoluble. Mais pour la première fois, les chercheurs du CEA-Irig, associés à une équipe du CEA-IRAMIS, montrent la solubilisation de ces nanoparticules dans un milieu biologique par l’entérobactine, un sidérophore* bactérien. Les résultats de l'étude montrent qu'il faudra réexaminer les conséquences de leur solubilisation du point de vue sanitaire et environnemental.

*Sidérophore : molécules de faible poids moléculaire (200 à 2 000 Da), sécrétées par les bactéries et présentant une très haute affinité le fer ferrique Fe3+.

 

09 juin 2023

Les déchets plastiques rejetés dans la nature se fragmentent jusqu'à former des micro- et nano-particules. De plus en plus de missions exploratoires et d’études montrent que ces particules sont aujourd'hui présentes dans de nombreux compartiments environnementaux. Devenues invisibles à l'œil nu, elles représentent une face cachée de la pollution plastique, dont on mesure encore mal l'influence sur le vivant.

Les fragments de plastique sont naturellement hydrophobes, et l'étude menée par deux équipes du NIMBE et de l'I2BC au CEA, associés à l'INRAE et l'IMMM, montre que l'adjonction d’une couronne de molécules biologiques permet leur dispersion dans l’eau [1].

Il est ensuite montré que si cette couche favorise ainsi l’entrée et la dispersion des microplastiques dans l’environnement, elle permet également de proposer des stratégies  "low tech" pour les collecter.

24 mai 2023

Les batteries à flux redox (RFB) présentent le grand avantage de dissocier la quantité d'énergie stockée et la puissance délivrée. Elles sont donc spécifiquement adaptées au stockage des énergies intermittentes (solaire, éolienne). Dans cette technologie, chaque électrolyte est pompé du réservoir où il est stocké jusqu'à une cellule de conversion où se déroule le processus électrochimique.

Pour optimiser les performances des batteries utilisant des électrolytes organiques, il est important de suivre les processus moléculaires se produisant lors des cycles de charge et décharge, et la résonance magnétique nucléaire (RMN) est un outil de choix pour cela. Idéalement il faudrait que les analyses puissent être réalisées pendant le fonctionnement de la batterie, et au plus proche des électrodes et zones d’échange. C'est ce qui a été réalisé sur un spectromètre du NIMBE/LSDRM, où des techniques de fabrique additive ont permis de réaliser une mini-batterie adaptée à une étude "operando".

15 mars 2023

Découverte : Notre-Dame de Paris est désormais identifiée comme la première cathédrale gothique de l’histoire, où le fer a été pensé comme un véritable matériau de structure, en une synthèse des innovations de l'époque.

C'est par une analyse fine des pièces en fer, menée par les instituts LSCE et Iramis, dans le cadre du chantier scientifique conduit par le CNRS et le ministère de la Culture, que cette innovation technique, qui marquera le siècle des cathédrales, a pu être précisément datée comme étant bien contemporaine de la construction de l'édifice,

 

14 mars 2023

Les plastiques, légers et peu onéreux, sont souvent préférés comme matériaux de contenant pour les produits alimentaires, ménagers ou de pharmacie. Une recherche active reste de mise pour garantir que le plastique choisi est bien inerte vis-à-vis du contenu et ne détériorera pas ses qualités. Ceci est d'autant plus important pour les produits pharmaceutiques, contenant des protéines qui peuvent plus facilement se dégrader.

L'étude menée par deux équipes du NIMBE et de l'I2BC au CEA, associés à l'INRAE et l'IMMM, montre que les protéines solubilisées peuvent être déstabilisées par contact avec les parois du flacon, conduisant, du fait de l'agitation, à la formation d'agrégats protéiques à l'interface avec l'air, puis en en solution. Le plastique est le matériau le plus défavorable, comparé au verre ou au téflon.

L'étude se poursuit avec l'étude du rôle joué par la présence de microplastique dans les milieux biologiques.

 

15 novembre 2023

En optique la diffraction impose une limite physique sur la taille des objets que l'on peut observer.de l'ordre de la longueur d'onde. Ainsi, à une fréquence de 1 THz, dans le domaine intermédiaire entre l'infra-rouge et les microondes, correspond une longueur d'onde de 0.3 mm. Une méthode pour s'affranchir de cette forte limitation est de convertir l'onde lumineuse en un signal électronique oscillant à la fréquence de la lumière, mais localisé sur une structure de très petite taille, une voie déjà explorée pour la lumière visible.

Dans cette étude récente, il est montré qu'il est possible de piéger des ondes TeraHertz (THz) dans des "boîtes à photons" d’une taille très inférieure à leur longueur d’onde. Contrairement aux approches usuelles utilisant des métaux pour confiner les photons THz, ces cavités exploitent un mécanisme dit "plasmonique", basé sur des modes de plasmon de surface (oscillation de charges), de fréquence THz dans les semi-conducteurs. Le mécanisme en jeu s'avère très efficace et il permet de confiner les photons jusqu’à des échelles très petites, caractéristiques des électrons du matériau semi-conducteur.

Il est enfin montré que des phénomènes inhabituels d’interaction lumière-matière apparaissent et imposent une limite ultime au confinement de la lumière dans la gamme THz, via ce mécanisme plasmonique.

 

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