CEA
CNRS
Univ. Paris-Saclay

Service de Physique de l'Etat Condensé

Faits marquants scientifiques 2021

15 octobre 2021

Graphene is a very promising material for a wide range of applications in Nanoelectronics.  Unfortunately, it presents a metallic character, which implies the need to look for alternative strategies in order to design and fabricate elementary electronic devices like diodes or transistors. This aspect constitutes a severe limitation in the field of numeric electronic or future telecommunications. A possible way to overcome this limitation is to consider new 2D materials in order to combine them with graphene eventually, in the design of future nanoelectronic devices. In this respect, phosphorene, a 2D material composed of one or several atomic layers of black phosphorous, offers a new opportunity to tackle this challenge. Indeed, phosphorene is a 2D semiconductor with very interesting properties compared to the ones of graphene. In particular, phosphorene combines in the meantime a direct bandgap, which is tunable as a function of the number of layers, and a high value of charge mobility. 

Until now, similarly to numerous 2D materials, phosphorene has mainly been obtained through exfoliation process. However, in order to obtain well-controlled phosphorene layers, procedures commonly used in industry like molecular beam epitaxy (MBE) and chemical vapour deposition (CVD) must be used to explore a large range of growing conditions and therefore to develop protocols adapted to the fabrication of new electronic devices.

In this context, three teams from Université Paris Saclay, namely ISMO-CNRS, TEMPO-Synchrotron SOLEIL and SPEC (CEA-CNRS), in collaboration with a group from Central Florida University, have achieved for the first time the synthesis of phosphorene chains on silver using MBE.

In this work, the researchers have evaporated phosphorous atoms under ultra-high vacuum on a (111) oriented silver crystal. The combination of tunnelling microscopy and spectroscopy (STM-STS), low energy electron diffraction (LEED), photoelectron spectroscopy (PES) and angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) has allowed identifying the atomic and electronic structures of phosphorene chains. These phosphorene chains exhibit an armchair shape and present a semiconductor character with an intrinsic bandgap of 1.8 eV (Figure 1).

28 septembre 2021

Le magnétisme des matériaux est essentiellement gouverné par le spin des électrons et leur interaction mutuelle. L’ordre magnétique qui en résulte est piloté par l’interaction d’échange qui couple deux sites  i et j du matériau par une énergie de la forme . Une intégrale d’échange Jij positive favorise un ordre ferromagnétique (avec des aimantations toutes alignées dans un même sens), tandis qu’une intégrale négative favorisera un ordre antiferromagnétique (avec une orientation alternée des spins et une aimantation globale nulle). Cet ordre magnétique peut-être brisé dès que la température du matériau dépasse une certaine température, ou lorsqu’une perturbation extérieure (comme un champ électromagnétique oscillant) est appliquée. Des magnons (ondes de spin stationnaires ou propagatives) vont alors se former dans le matériau. Au-delà de la température de transition de Curie (ordre ferromagnétique → paramagnétique) ou la température de transition de Néel (antiferro → paramagnétique), tout ordre magnétique collectif disparait et l’aimantation macroscopique devient nulle.

02 juin 2021
An international consortium of physicists from the University of Regensburg, SPEC, the University of Marburg, and the Russian Academy of Sciences in Novosibirsk observed a new kind of light emission when electrons in topological insulators abruptly reverse their direction of motion. Under THz driving surface electrons -- ``inertia-free'' massless Dirac particles -- are accelerated through the topologically non-trivial band structure, whose imprints on their dynamics leads to the emission of unconventional higher-order harmonic (HH) radiation. The study provides a platform to explore topology and relativistic quantum physics in strong-field control, and could lead to non-dissipative topological electronics at infrared frequencies.

 

30 juillet 2021

La lutte contre le dopage est vraiment au cœur de tous les états qui souhaitent promouvoir le sport "propre".

La méthode usuelle pour le contrôle antidopage est la chromatographie liquide associée à la spectrométrie de masse (LC-MS) sur les fluides des athlètes (urine, sang). L’ensemble des temps de rétention des substances chimiques (chromatographie liquide) et de leurs masses (spectrométrie de masse) sont scannés, ce qui conduit à l’acquisition de quantités élevées de données - entre 0.5 Go et 1 Go par athlète. Ainsi, pour chaque athlète deux spectres sont obtenus (spectre des ions positifs et spectre des ions négatifs) en trois dimensions (temps de rétention, masse m/z et intensité) (Figure 1, volet de gauche). Chaque substance se trouve donc dans une petite région d’intérêt d’un des deux spectres et centrée à des coordonnées propres (temps de rétention, masse) aux dérives expérimentales près. Ces régions d’intérêt sont comme petites fenêtres associées à chacune des plus de 600 substances à identifier, comme par exemple celle illustrée en vert dans le spectre représenté en Figure 1.

10 mai 2021
Des capteurs magnétiques basés sur le déplacement d’un cœur de vortex dans une jonction tunnel magnétique sont actuellement proposés pour obtenir des réponses linéaires en champ sur une large gamme (typiquement quelques dizaines de mT) tout en gardant une très bonne sensibilité pour diverses applications, (automobiles, biomédical). Cependant, ces capteurs présentent un bruit magnétique basse fréquence très important qui limite leur performance de détection. Dans ce travail, ce bruit a été caractérisé et étudié en fonction de la dynamique du vortex et cela a permis de déterminer des solutions pour le réduire. L’utilisation d’une excitation AC dans ces capteurs en appliquant un champ magnétique, un courant DC ou radiofréquence (RF), induit une dynamique du cœur de vortex qui l’empêche de se bloquer dans des états métastables, source principale du bruit magnétique. « Secouer » ainsi le cœur de vortex permet d’obtenir une réduction significative du bruit basse fréquence.

 

09 septembre 2021

Sous un champ magnétique intense et à basse température, les spins des électrons d'un échantillon de graphène s'alignent. Les excitations élémentaires d'un tel aimant idéal, appelées ondes de spin ou magnons, sont des objets intrinsèquement magnétiques, mais qui possèdent également une nature électrostatique, car ils doivent être aussi porteur d'un dipôle électrique.

Des chercheurs du groupe Nanoélectronique du SPEC, en collaboration avec des théoriciens de l'Institut de Physique Théorique - IPhT et des expérimentateurs du NTT-BRL et du NIMS (Japon), ont  observé pour la première fois le dipôle électrique associé à des ondes de spin dans un ferromagnétique en condition d'effet Hall quantique, en utilisant un interféromètre Mach-Zehnder électronique. Cette expérience a été réalisée sur un échantillon de graphène de haute qualité, utilisé comme capteur quantique ultra-sensible.

 

06 avril 2021
Researchers from the Nanoelectronics and the Modeling and Theory groups of SPEC, in collaboration with experimentalists from NTT-BRL and NIMS (Japan) and theorists from KAIST (Korea) have developed new, fully tunable electronic beam splitters in graphene, that directly rely on the crystalline symmetries of graphene. Using these beam splitters, the researchers have demonstrated the implementation of an electronic Mach-Zehnder interferometer which splits and recombines electronic wavepackets along a p-n junction realized in graphene. The analysis of the observed electronic quantum interferences strongly suggests that graphene could be used to realize complex quantum circuits with a very high degree of robustness to decoherence.

 

06 avril 2021
Des chercheurs des équipes Nanoélectronique et Modélisation et Théorie du SPEC, en collaboration avec des expérimentateurs du NTT-BRL et du NIMS (Japon) et des théoriciens du KAIST (Corée), ont mis au point de nouveaux séparateurs accordables d'ondes électroniques au sein du graphène, dont le principe utilise ses symétries cristallines. En utilisant ces séparateurs de faisceau, les chercheurs montrent qu'il est possible de réaliser l'analogue électronique d'un interféromètre optique de type Mach-Zehnder, dont la transmission des séparateurs peut être ajustée. L'analyse des interférences quantiques électroniques observées montre que le graphène pourrait être utilisé pour réaliser des circuits quantiques complexes avec l'avantage d'un très haut degré de robustesse à la décohérence.

 

15 décembre 2021

En 2020, l'équipe de Quantronique du SPEC a montré qu'il était possible de réaliser un capteur de photon unique qui présente un rapport signal sur bruit inégalé [1]. Le dispositif est basé sur une méthode de mesure quantique originale à base d'un qubit couplé à un résonateur micro-ondes.

Dans cette nouvelle publication, l'équipe et ses collaborateurs montre qu'un tel capteur peut être utilisé pour réaliser une mesure de résonance paramagnétique électronique (RPE), où la réponse individuelle de chaque spin devient mesurable.

 

11 décembre 2021

Un enjeu central des technologies quantiques est de pouvoir transférer de manière cohérente un état quantique entre différents systèmes physiques. Ceci permettrait en particulier de construire un réseau de communication, constitué de "nœuds" où l’état quantique peut être manipulé et stocké pour une longue durée, connectés entre eux de manière cohérente par l’échange de photons optiques. Le développement de ces réseaux quantiques est un sujet de recherche actif, prometteur d'applications importantes pour le traitement de l'information.

Une collaboration de chercheurs autour du groupe quantronique du SPEC montre qu'il est possible d'obtenir des largeurs de raies et temps de cohérence records pour le spin électronique d'ions Er3+ inclus dans un cristal de scheelite (CaWO4). Ces cristaux ainsi dopés sont ainsi un très bon support pouvant permettre la réalisation de réseaux quantiques.

28 juin 2021

La construction d’un ordinateur quantique, capable de résoudre certains problèmes difficiles hors de portée des ordinateurs habituels, est l’un des sujets les plus actifs de la recherche mondiale. Dans les ordinateurs quantiques, l’information est portée par des briques élémentaires, les bits quantiques (ou qubits). La puissance des algorithmes quantiques trouve son origine dans le fait qu’un registre de N bits quantiques peut se trouver dans n’importe quelle superposition quantique de ses 2N états de base |0_1 0_2…0_N〉, |0_1 0_2…1_N〉, …|1_1 1_2..1_N〉. Mais pour bénéficier de cette puissance, il faut impérativement préserver la cohérence quantique entre tous ces états. Or, cette cohérence une fois créée, disparaît en un temps caractéristique appelé T2 (le temps de cohérence), à cause du couplage des bits quantiques au monde extérieur.

Parmi les systèmes les plus étudiés pour construire un ordinateur quantique, figurent les circuits supraconducteurs à base de jonctions Josephson (les qubits supraconducteurs), dont le CEA a été pionnier, et qui sont utilisés notamment par Google et IBM dans leur prototype d’ordinateur quantique. Ces circuits ont malheureusement un temps de cohérence relativement court, de l’ordre d’une centaine de microsecondes. Pour remédier à ce problème, notre groupe a proposé d’interfacer les qubits supraconducteurs avec une mémoire quantique, capable de stocker l’état quantique des qubits pendant un temps beaucoup plus long que leur temps de cohérence. Un excellent système pour réaliser la mémoire quantique sont les ensembles de spins électroniques dans les solides, car ils ont des fréquences proches des circuits supraconducteurs (dans les 5-10GHz) et peuvent avoir un très long temps de cohérence (voir fig.1a). Reste à apporter la démonstration expérimentale de cette idée !

 

Figure 1: (a) Schéma de principe. La mémoire quantique est un ensemble de spins, soumis à un champ magnétique statique B0, couplé à un résonateur LC servant d’antenne pour absorber les impulsions micro-ondes incidentes. Une impulsion de contrôle déclenche la réémission des impulsions absorbées, en ordre inverse de leur arrivée.
(b) Les spins sont des donneurs dans le silicium (atomes de bismuth), implantés sous la surface d’un cristal de silicium enrichi en l’isotope 28Si. Le résonateur est un circuit LC supraconducteur déposé sur le substrat : la capacité C est le peigne métallique en gris, et l’inductance L est le fil de 5μm de large en rouge.
(c) Les donneurs de bismuth dans le silicium ont des fréquences de transition de l’ordre de 7.3GHz, (lignes vertes). L’une des transitions est stationnaire en champ magnétique B0 autour de 27mT. A ce champ, le temps de cohérence Test maximum et atteint 0.3s, comme on peut le voir sur la courbe montrant la dépendance de l’amplitude d’un écho de spin Ae en fonction du délai 2τ entre les impulsions.
(d) Vingt impulsions micro-ondes contenant chacune 24 photons en moyenne sont absorbées par la mémoire, et réémises 0.1s après, en ordre inverse, par application d’une impulsion dite de « refocalisation ». L’amplitude est réduite d’un facteur ∼0.03 comparé à l’amplitude incidente.
01 février 2021

En 1983, iI a été prédit théoriquement par A. Schmid que toute jonction Josephson dans son état fondamental, shuntée par une résistance R de forte valeur ne devrait pas être supraconductrice mais isolante.

Même si plusieurs expériences avaient prétendu confirmer cette théorie, des physiciens du SPEC et d'universités allemandes viennent de démontrer que l'état isolant prévu n'existe pas. Ce résultat résout ainsi le paradoxe créé par la prédiction, selon lequel à la limite R infini, aucune jonction Josephson ne devrait être supraconductrice !

 

16 novembre 2021
In a recent paper published in PNAS, Hugues Chaté (IRAMIS/SPEC), Xia-qing Shi and the group of Tian Hui Zhang (Soochow University)  show that subcritical active matter exhibits novel collective self-organized dynamics. They used “Quincke rollers”, i.e. colloidal spheres at the bottom of a cell filled with conducting fluid submitted to a vertical electric field. Working just below the field strength triggering the rotation of an isolated particle allows the emergence of such spectacular phenomena as arbitrarily large self-standing vortices made of thousands of particles.

 

28 février 2021

La plupart des fluides qui nous entourent -atmosphère, océans, rivières- sont turbulents et caractérisés par des mouvements tourbillonnaires et fluctuants sur une large gamme d’échelles spatiale et temporelle. Ainsi, alors qu’on connaît leurs équations d’évolution - les équations de Navier-Stokes - depuis près de 200 ans, on ne peut que rarement reproduire leur comportement "in silico" avec une simulation numérique sans modèle additionnel pour les petites échelles, faute d’espace mémoire et de capacité de calcul suffisants, même sur les ordinateurs actuels les plus performants.

Ainsi, pour comprendre les propriétés des écoulements très turbulents, les expériences "in fluido" restent incontournables, même s'il est souvent difficile d’avoir accès à des cartographies détaillées du mouvement tourbillonnaire à toutes les échelles, faute de moyens de mesures adaptés.

Une collaboration entre les équipes expérimentales du SPEC/SPHYNX et du LMFL et une équipe numérique du LIMSI a réussi pour la première fois la prouesse de produire une comparaison détaillée des propriétés locales et globales de la turbulence sur une grande gamme d’échelles dans un écoulement de von Kármán. Cette avancée a pu être obtenue grâce à des méthodes innovantes de simulations numériques et des méthodes d’imagerie laser à très haute résolution. Ces études vont prochainement être complétées à des échelles encore plus petites grâce à l’arrivée au SPEC/SPHYNX d'u' nouveau dispositif "Giant Von Kármán".

19 février 2021
Une équipe réunissant des chercheurs du SPEC, de l’IPhT et de l’ENS-Paris a montré l’absence de transition de Gardner dans un verre moléculaire archétypique – le glycerol - jusqu’à une température de 10 K. Cette transition, déjà identifiée dans d’autres systèmes vitreux (granulaires vibrés ou colloïdes) pourrait être la clef permettant de relier la façon dont ces systèmes amorphes se figent – lorsqu’ils se forment - à leurs propriétés mécaniques lorsqu’ils sont solides. On peut ainsi entrevoir un début d’explication à la différence entre matériaux amorphes mécaniquement fragiles ou non [1].

 

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