Archives 2014
décembre 2014
Grazing incidence fast atom diffraction – un nouvel outil de suivi en temps réel de la croissance épitaxiale de semi-conducteurs
L’épitaxie par jets moléculaires (EJM) développée dans les années 1970, permet de produire de manière contrôlée des assemblages de semi-conducteurs sous la forme de couches minces cristallines de très grande pureté, utilisées dans la fabrication de lasers ou de systèmes électroniques haute fréquence. La diffraction d’électrons de haute énergie (RHEED) permet de suivre en temps réel la croissance du film et sa qualité cristalline. Des progrès supplémentaires dans les procédés EJM sont directement corrélés à l’innovation dans les outils de suivi. Dans cette perspective, des chercheurs de de l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides enn couches minces » de l’INSP et de l’ISMO (Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay) ont mis au point une nouvelle technique, baptisée GIFAD (Grazing Incidence Fast Atom Diffraction). Ces physiciens ont démontré la capacité du GIFAD à suivre la croissance couche-par-couche de semi-conducteurs et à identifier, par comparaison à des calculs quantiques, le réarrangement périodique des atomes de la surface. Tout aussi simple d’utilisation que le RHEED, le GIFAD est bien plus sensible à la couche en cours de croissance, un atout clef pour la mise au point de procédés d’élaboration d’une nouvelle génération de dispositifs électroniques.
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novembre 2014
Focalisation d’une onde élastique dans un cristal phononique : pourquoi la tâche focale est-elle plus large que prévu ?
La trajectoire d’une onde élastique se propageant dans un cristal phononique présentant un gradient de ses propriétés élastiques peut, dans certains cas, être calculée rigoureusement. Toutefois, lorsque l’on fait l’expérience, ou que l’on simule par éléments finis les déplacements acoustiques à la surface du système, on trouve un résultat qui peut être significativement différent de ce que prévoit la théorie. La raison généralement avancée pour expliquer ces écarts, est que dans le système réel le gradient n’est pas continu, contrairement aux hypothèses du calcul analytique. En considérant le vecteur d’onde acoustique et la vitesse de groupe comme des paramètres locaux, des chercheurs de l’équipe « Acoustique pour les nanosciences » de l’INSP ont montré que la véritable explication se trouvait dans la forme des contours équi-fréquence qui, dans certaines parties de la lentille, peuvent s’écarter notablement d’un cercle et induire ainsi une anisotropie non désirée.
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octobre 2014
L’hydrogène dans la glace est-il quantique ?
À des pressions très élevées, la glace passe d’une situation où chaque hydrogène est lié à deux oxygènes (par une liaison covalente et une liaison hydrogène : O-H- - - - O), dite phase VII, à une structure où l’hydrogène se situe à mi-distance entre les deux oxygènes (O—H—O), phase X. Expérimentalement, cette transition a lieu vers 65 GPa alors que les calculs ab initio, qui traitent le proton comme une particule classique, la prédisent vers 100 GPa. Cet écart est dû à la nature quantique du noyau d’hydrogène, importante même à température ambiante. Les effets quantiques, tels que l’effet tunnel et l’énergie de point zéro, créent alors une « zone grise » qui brouille la transition. Grâce à une méthode de simulation originale, des chercheurs de l’équipe « Oxydes en basses dimensions » de l’INSP, en collaboration avec un chercheur de l’IMPMC, ont retrouvé la valeur de la pression de transition expérimentale, et expliqué en détail le mécanisme de la transition, tout en distinguant les différents rôles joués par les effets quantiques et thermiques.
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Une source de photons uniques et indiscernables
Les nano-émetteurs solides ont démontré ces dernières années un fort potentiel pour des applications en nanophotonique et dans le domaine de l’information quantique. Les boîtes quantiques à base de matériaux semiconducteurs sont actuellement utilisées comme sources de photons uniques à la demande atteignant une très forte efficacité d’extraction, lorsqu’elles sont insérées dans des cavités photoniques appropriées. Cependant, le degré d’indiscernabilité des photons, paramètre crucial pour l’intrication, n’atteint pas 100%, limité par les processus de décohérence liés aux interactions de la boîte avec son environnement. Grâce à une expérience d’interférences à deux photons, des chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » de l’INSP ont pu mesurer le degré d’indiscernabilité des photons émis par ce type de source. Il peut atteindre 80% dans les cas les plus favorables.
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août 2014
Fractures en échelons dans les solides mous
La rupture d’un matériau en traction produit en général des surfaces de fracture planes. Toutefois, l’application d’un cisaillement parallèle au front de fissure provoque systématiquement l’apparition de marches sur le faciès de rupture, les faces entre marches tournant au fur et à mesure de la propagation pour se rapprocher d’une situation de traction pure. La compréhension de cette instabilité en échelons, observée dans pratiquement tous les matériaux est un des défis actuels théoriques en mécanique de la fracture auquel les chercheurs de l’équipe « Mécanique multi- échelles des solides faibles » de l’INSP apportent aujourd’hui une réponse.
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juillet 2014
Déterminer l’orientation d’un émetteur à l’échelle nanométrique
Les interactions lumière-matière à l’échelle nanométrique font l’objet de nombreuses applications (SERS, nano-senseurs, luminescence,…). Les caractéristiques d’émission de nanoémetteurs fluorescents peuvent être considérablement améliorées en les couplant à des nanostructures photoniques et plasmoniques. Cependant, l’orientation d’un émetteur est critique pour optimiser le couplage de son émission à ce type d’environnement. Par une modélisation du champ électrique rayonné par l’émetteur dans diverses configurations expérimentales, des chercheurs de l’équipe « Nanostructures et optique » de l’INSP ont montré qu’une analyse de la polarisation d’émission permet de mesurer l’orientation d’émetteurs individuels. Cette méthode a ensuite été appliquée de façon expérimentale sur des nanocristaux colloïdaux de CdSe/CdS et de CdSe/ZnS, en collaboration avec une équipe du LPEM, à l’ESPCI. Cette technique permet d’isoler des nanoémetteurs dont l’orientation est favorable à un couplage déterministe à des modes de cavités nanostructurées.
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juin 2014
Comment révéler les modes géométriques de résonances plasmon dans des nanoparticules ?
La capacité de la lumière UV-visible à sonder des nanoobjets métalliques au travers d’excitations plasmon et ceci à des échelles de tailles bien inférieures à la longueur d’onde est un des moteurs du développement actuel de la nanoplasmonique. Un des enjeux est de caractériser finement les phénomènes de mouillage à l’échelle nanométrique au travers de ces résonances collectives. Des chercheurs de l’INSP, en collaboration avec le Norwegian University of Science and Technology, ont développé une méthodologie d’analyse permettant de remonter directement à la réponse diélectrique de particules déposées sur un substrat solide en termes d’oscillateurs amortis. Combinée à des modélisations diélectriques, son application à des nanoparticules métalliques supportées par des surfaces d’oxydes variés a permis de démontrer l’universalité des modes géométriques de polarisation des nanoobjets et de mieux en comprendre la nature.
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Supprimer l’hystérésis d’un matériau magnétocalorique en le bombardant avec des ions multichargés
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mai 2014
Oxydation du monoxyde de carbone sur des surfaces de platine : attention à la marche !
L’essor récent de techniques permettant d’accéder simultanément à la structure, aux propriétés électroniques et à la réactivité de surfaces de catalyseurs modèles pendant leur fonctionnement a démontré la complexité des relations entre structure et réactivité pour des réactions aussi classiques que l’oxydation du monoxyde de carbone. à l’échelle atomique, la nature des sites actifs où a lieu la réaction fait toujours l’objet de controverses. S’agit-il de sites métal ou oxyde ? Et quel rôle joue la rugosité ? Ces questions sont primordiales pour le design des catalyseurs. Pour y répondre, on peut étudier des surfaces présentant une rugosité contrôlée, comme des marches. En collaboration avec des chercheurs de Grenoble, Barcelone et Lund, un chercheur de l’équipe « Physico-chimie et dynamique des surfaces » de l’INSP a mis en évidence le lien complexe entre structure et réactivité d’une surface vicinale de platine catalysant l’oxydation du CO. Le résultat est surprenant : la surface n’est stable que lorsque les deux gaz sont très exactement dans un rapport stoechiométrique (une molécule O2 pour deux molécules CO), lequel correspond aussi au maximum de réactivité.
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Quelles briques de base pour la supraconductivité dans une monocouche atomique ?
Alors que l’élément de base de la supraconductivité est la paire de Cooper, d’une taille généralement cent fois plus grande que celle d’un atome, en analysant finement une couche monoatomique de plomb supraconducteur, des physiciens ont mis en évidence des structures plus de 10 fois plus petites que les paires de Cooper. Cette observation est l’indice que dans ce système, l’état supraconducteur est plus complexe que ce que l’on pensait jusqu’à présent. Dans le mécanisme habituel conduisant à la supraconductivité, les électrons s’associent en paire, les paires de Cooper, qui condensent toutes dans un même état quantique. Généralement, ces « paires de Cooper » ont une extension spatiale de plusieurs dizaines de nanomètres, soit bien plus que la taille des atomes. En analysant la structure spatiale d’un supraconducteur composé d’une couche monoatomique de plomb déposée sur un substrat de silicium, des physiciens de l’Institut des Nanosciences de Paris - INSP (CNRS / UPMC) et du Laboratoire de physique et d’étude des matériaux - LPEM (CNRS / ESPCI / UPMC) ont mis au jour dans l’état supraconducteur des structures de taille comparable à la taille de quelques atomes, c’est-à-dire bien plus petites que les paires de Cooper, pourtant considérées comme les briques de base de l’état supraconducteur. Ce travail est en contradiction avec les modèles théoriques de supraconductivité dans de tels systèmes. Il suggère l’existence de fortes corrections quantiques de type Bose-Einstein aux paires de Cooper, dues à une importance accrue des effets de corrélation entre électrons via le désordre dans ce système purement bidimensionnel. Ce travail est publié dans la revue Nature Physics.
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avril 2014
Sonder la texture de spin d’un isolant topologique : une approche par dichroïsme circulaire de la photoémission résolue en angle
Les isolants topologiques sont des composés découverts récemment qui présentent des propriétés électroniques singulières : isolants en volume, conducteurs en surface [1]. L’état de surface responsable de cette conduction est caractérisé par une dispersion linéaire au centre de la zone de Brillouin (cône de Dirac) et une hélicité : le spin et l’impulsion sont perpendiculaires dans le plan de la surface. Le dichroïsme circulaire de la photoémission résolue en angle a récemment été proposé comme technique permettant de sonder directement cette texture de spin particulière [2] [3] . C’est cette technique que les chercheurs de l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » de l’INSP ont choisie pour étudier des couches minces épitaxiales de Bi2Se3.
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mars 2014
Une piste pour la réfrigération magnétique grâce à l’impact d’ions lents multichargés
Les matériaux à effet magnétocalorique géant, comme l’arsenic de manganèse (MnAs), sont d’excellents candidats pour la réfrigération magnétique, et ont une transition magnéto-structurale de premier ordre. Or, cette transition entre deux phases d’états de structure différente est communément caractérisée par la présence d’états métastables d’où résulte une hystérésis thermique. Cette hystérésis empêche l’utilisation pratique de ces matériaux comme système de réfrigération qui, par essence, doit être cyclique. Pour la première fois, l’équipe « Agrégats et surfaces sous excitations intenses », en collaboration avec l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » de l’INSP, a démontré qu’il était possible d’éliminer l’hystérésis thermique sans affecter les autres propriétés d’une couche mince de MnAs en introduisant de façon contrôlée des défauts par collisions avec des ions multichargés. Ceci ouvre de nouvelles perspectives pour l’utilisation du refroidissement magnétique dans les appareils de la vie quotidienne.
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février 2014
Vibration libre d’un nanofil de cuivre
La mise en vibration cohérente de nanosystèmes donne l’opportunité de sonder leurs propriétés élastiques à l’échelle du nanomètre. Elle permet aussi d’aborder des problématiques telles que la limite de validité en taille de l’hypothèse du milieu continu, le rôle des champs de contraintes internes, l’impact des procédés de structuration sur la réponse mécanique de ces entités, l’effet des atomes de surface. Le paysage vibrationnel de ces petites entités dépend certes de paramètres intrinsèques tels que la taille, la forme, les constantes élastiques mais également la nature du couplage avec l’environnement et plus particulièrement avec le substrat sur lequel elles reposent. Ainsi, l’étude de systèmes modèles habituellement privilégiée par l’équipe « Acoustique pour les NanoSciences » de l’INSP se heurtait à un manque de confinement acoustique au sein de ces nanosystèmes. Cette limitation a été récemment levée grâce à l’utilisation de nanofils libres, en collaboration avec l’IM2NP d’Aix-Marseille et le GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research de Darmstadt.
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Des capteurs hauts en couleur
Le polydiacétylène (PDA) est un polymère conjugué possédant des propriétés optiques extrêmement intéressantes et utiles sur lesquelles reposent les mécanismes de détection d’entités chimiques et biologiques diverses (ions, molécules, nanoparticules, protéines d’enveloppe virale...), mis en œuvre dans différentes classes de capteurs à base de films minces ou de vésicules. Dans le cadre de l’optimisation de ces capteurs, des chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » de l’INSP ont imaginé et fait la preuve de principe d’un protocole de détection permettant d’augmenter la sensibilité d’environ un ordre de grandeur. Le signal détecté n’est plus fourni par la chaîne de PDA elle-même mais par un émetteur moléculaire (chromophore) en interaction avec la chaîne. Les deux états « on » et « off » du capteur correspondent à deux états « noir » et « brillant » du chromophore qui sont déterminés par l’intensité du couplage à la chaîne, qui elle reste la sonde de l’environnement.
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janvier 2014
Bandes, labyrinthes, hexagones : sélection dynamique des structures de solidification biphasée
Les microstructures de solidification, dont la formation est un des problèmes les plus importants en science des matériaux, sont la trace, figée en volume, de structures du front de cristallisation, couplées à la diffusion chimique dans le liquide et stabilisées par effets capillaires. Leur grande variabilité est un frein à une maîtrise fine des propriétés de matériaux industriels. Ce phénomène d’auto-organisation hors équilibre pose des questions complexes sur lesquelles les chercheurs de l’équipe « Physico-chimie et dynamique des interfaces » de l’INSP ont obtenu des résultats conclusifs. Grâce à une méthode originale d’observation en temps réel de la structure de croissance biphasée d’alliages transparents, ils ont mis en évidence des mécanismes de sélection « faible » par forçage thermique, localisé les limites de stabilité morphologique, et découvert des dynamiques inattendues de défauts topologiques.
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Une nouvelle structure pour FeMnAs
Les conditions particulières de contraintes anisotropes et de dynamique de diffusion liées à la croissance par épitaxie par jet moléculaire (molecular beam epitaxy, ou MBE) peuvent favoriser la formation de phases nouvelles qui n’existent pas dans le volume. Lors de la croissance MBE du système Fe/MnAs/GaAs(100), l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » de l’INSP a mis en évidence la présence d’un composé d’interface FeMnAs. Les deux structures jusqu’à présent connues de l’arséniure FeMnAs sont tétragonale (T, sous des conditions normales de croissance) ou hexagonale (H, lorsque le composé est synthétisé sous haute pression et haute température). Elle a montré que ce composé FeMnAs (1) a une structure de type orthorhombique, jamais observée auparavant. Cette détermination structurale a été rendue possible grâce à l’utilisation de la microscopie électronique STEM_HAADF (High Angle Annular Dark Field Scanning Transmission Electron Microscope).
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