Archives 2018
décembre 2018
Une nouvelle source à photons uniques à température ambiante
Les sources émettrices à photons uniques sont des éléments essentiels dans un réseau de communications quantiques. En particulier, leur utilisation dans la distribution des clés quantiques permettrait la transmission sécurisée d’informations. Il existe différents systèmes qui utilisent ces sources comme des boîtes quantiques par exemple, mais pour la plupart, ils demandent des températures cryogéniques de fonctionnement. L’INSP, en collaboration avec des laboratoires de Chine et de Singapour, vient de trouver des émetteurs fonctionnant à température ambiante dans un semi-conducteur bien connu : le carbure de silicium [1].
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octobre 2018
Le sourire caché de la Joconde
Des physiciens de l’INSP, en collaboration avec plusieurs laboratoires académiques français[1], sont parvenus à reproduire la Joconde à l’échelle micrométrique à l’aide de résonateurs plasmoniques dits pseudo-chiraux. La Joconde est camouflée lorsque la métasurface est observée en lumière non polarisée mais se révèle lorsque la métasurface est éclairée en polarisation circulaire, avec des variations de contraste inédites en fonction de l’angle d’observation.
La diffusion résonnante de la lumière par des particules métalliques conduit à des couleurs où chaque particule produit un pixel coloré différent. Les développements en nanotechnologies et en modélisation électromagnétique permettent aujourd’hui de contrôler également l’état de polarisation de la lumière avec une résolution spatiale sans précédent. Cet effet trouve des applications dans la création d’images colorées avec une résolution sub-longueur d’onde pour des systèmes anti-contrefaçon.
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Une pince acoustique qui fait tourner une sphère élastique
Une onde sonore ou optique suffisamment intense peut soulever des objets solides. Les pinces optiques et acoustiques utilisent des faisceaux focalisés assurant la sélection et la manipulation dans les trois dimensions d’objets individuels. Dans les pinces acoustiques, l’onde focalisée tourne sur elle-même et transmet une rotation à l’objet piégé. Des physiciens de l’INSP et de l’Institut Jean le Rond d’Alembert viennent de donner une explication quantitative des mécanismes à l’origine de cette rotation et en proposent une méthode de contrôle. Il est ainsi possible d’ajouter un degré de liberté à la pince acoustique : positionnement dans les trois directions et orientation sur un axe de la particule. Les chercheurs ont pu aussi montrer que la vitesse de rotation est contrôlable finement.
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septembre 2018
Répulsion électron-électron et forts effets relativistes au cœur des propriétés de l’état fondamental d’une monocouche atomique de Pb
Dans un métal, l’interaction répulsive directe entre deux électrons (interaction Coulombienne) est écrantée par la présence des nombreux autres électrons. Lorsque la densité d’électrons diminue cette interaction répulsive entre électrons augmente. Si cette répulsion devient suffisamment forte, elle peut empêcher la formation d’un état métallique au profit d’un état isolant appelé isolant de Mott. Des travaux récents ont mis en lumière les propriétés étonnantes de ces matériaux caractérisés par de fortes corrélations électroniques. Des applications sont en cours de développement industriel, notamment pour la fabrication de mémoires non-volatiles, en utilisant les deux états métallique et isolant de Mott. Sur le plan théorique, modéliser les propriétés électroniques de ces matériaux représente un défi dû à la difficulté de modéliser les interactions fortes entre électrons. Cette difficulté est encore plus grande lorsqu’il s’agit d’un système de basse dimension fabriqué sur un substrat-support : le rôle des atomes du substrat doit également être considéré.
Dans ce contexte, des chercheurs de l’équipe « Spectroscopie des nouveaux états quantiques » ont étudié expérimentalement et théoriquement un matériau bidimensionnel constitué d’une couche atomique de plomb de faible densité déposée sur un substrat de silicium. Prédit comme étant très proche de la transition de Mott, ce système n’avait jamais été étudié à basse température. Grâce à une comparaison fine du spectre d’excitation électronique mesuré par STM avec celui calculé par une approche « ab initio », les chercheurs ont montré que dans ce matériau 2D, les corrélations électroniques ne sont pas assez fortes pour provoquer un état isolant mais altèrent significativement l’état métallique. Une conclusion importante est également que le couplage spin-orbite, dû à la masse atomique élevée du plomb, est un paramètre essentiel à prendre en compte pour la modélisation correcte des propriétés électroniques de ce système qui présente ainsi des états métalliques polarisés en spin.
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Exploiter la composante magnétique de la lumière grâce aux nanotechnologies - Actu CNRS INP - 11 septembre 2018
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juin 2018
Des nanomatériaux dans le domaine THz
Les nanocristaux de semiconducteurs suscitent depuis quatre ans un intérêt grandissant, notamment grâce à leur récente intégration en tant que source de lumière dans les téléviseurs LCD de dernière génération. Ces matériaux sont également très prometteurs dans le domaine de l’optoélectronique, en particulier pour des applications liées à la photo détection (à savoir pour les cellules solaires ou l’imagerie infrarouge). Pour autant, synthétiser des matériaux infrarouges avec des propriétés optiques bien contrôlées demeure un vrai défi. Depuis une dizaine d’années, une course a été lancée vers la synthèse de matériaux absorbant toujours plus loin dans l’infrarouge. Des membres de l’équipe Physico-Chimie et dynamique des surfaces de l’INSP ont obtenu un nouveau record en démontrant la synthèse de matériaux dans la gamme THz (30-300 µm), une gamme de longueur d’onde jusque-là inaccessible aux particules colloïdales. Cette invention a également fait l’objet d’un dépôt de brevet conjoint entre le CNRS et la société Nexdot.
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avril 2018
Des nanocristaux de nouvelle génération dévoilent leurs propriétés d’émission
Les nanocristaux colloïdaux de pérovskites inorganiques CsPbX3 (X = Br, Cl, I) font l’objet d’une intense activité de recherche depuis 2015, année de leur première synthèse. En effet, leurs remarquables propriétés optiques et électroniques en font des alternatives aux semiconducteurs II-VI pour de nombreuses applications (émetteurs de photons uniques, LED, bio-imagerie…). C’est dans ce cadre que les membres de l’équipe « Photonique et cohérence de spin » en collaboration avec l’équipe « Physico-chimie et dynamique des surfaces » de l’INSP et le « Groupe d’optique quantique » du LKB, se sont focalisés sur les propriétés d’émission à l’échelle de l’objet unique de nanocristaux de CsPbBr3. Appuyés par un développement théorique important, nos résultats expérimentaux mettent en évidence (i) la corrélation entre la structure fine excitonique (nombre de composantes d’émission, états de polarisation) et la structure cristalline adoptée par un nanocristal unique, (ii) le rôle fondamental joué par le terme d’interaction d’échange électron-trou dans le « splitting » des niveaux d’énergie excitoniques, et (iii) la nature des interactions entre excitons et leur environnement vibrationnel ainsi que leurs effets sur l’émission. Ces études sont essentielles dans le domaine de la nanophotonique, où l’on cherche à optimiser le couplage de tels émetteurs uniques à des structures comme des nanofibres ou des nanocavités fibrées.
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mars 2018
De l’origine controversée des états de défauts dans la bande interdite du dioxyde de titane
Déjà utilisé dans les vitrages auto-nettoyants ou les cellules solaires à colorants, le dioxyde de titane TiO2 sous irradiation lumineuse est un matériau prometteur pour la purification de l’air et de l’eau ou pour la production d’hydrogène par « water splitting ». Ses propriétés photo-catalytiques particulières sont intimement liées aux électrons, dits en excès, produits par l’absorption d’un photon ou par une sous-stœchiométrie. Dans le cas de la forme réduite TiO2-x, les lacunes d’oxygène ou les atomes de titane interstitiels, très étudiés sur la face (110) du polymorphe rutile, jouent un rôle primordial. De façon apparemment antinomique, en raison de la distorsion polaronique induite, les électrons en excès associés contribuent à la conductivité du matériau et à l’apparition d’un état dans la bande interdite vu en photoémission. Mais jusqu’à présent, la réelle contribution des atomes interstitiels à cet état restait plus que controversée. Pour aborder cette question fondamentale pour ce matériau, des chercheurs de l’équipe « Oxydes en basses dimensions » l’INSP ont utilisé la spectroscopie de pertes d’énergie d’électrons à haute-résolution, une technique devenue bien rare…
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février 2018
Mesurer les excitations magnétiques d’un cristal magnonique
Dans un matériau ferromagnétique, une excitation peut produire un mouvement de précession des moments magnétiques à des fréquences supérieures au GHz. Cette excitation peut être de la lumière (diffusion Brillouin), électromagnétique (résonance ferromagnétique), électrique (transfert de spin) ou acoustique. Lors de la précession, les moments magnétiques peuvent bouger en phase (vecteur d’onde k=0) ou avec un certain déphasage (vecteur d’onde k≠0). Dans ce dernier cas, on parle d’ondes de spin. Les physiciens s’intéressent depuis peu à la propagation des ondes de spin dans des cristaux magnoniques (analogues aux cristaux photoniques mais présentant une configuration magnétique périodique) pour des applications dans le transport et le traitement de l’information.
Des membres de l’équipe « Croissance et propriétés de systèmes hybrides en couches minces » de l’INSP ont réalisé une étude complète de la dynamique de l’aimantation d’une couche mince de fer implantée d’atomes d’azote qui présente, naturellement, une configuration magnétique périodique et très ordonnée, typique des cristaux magnoniques (Figure 1). Elle porte sur les excitations magnétiques de ce système périodique en fonction du champ magnétique externe à k=0. L’intérêt de cette étude, menée par diffusion Brillouin (en collaboration avec l’université de Pérouse), Résonance Ferromagnétique large-bande (INSP) et par simulations micromagnétiques (Mumax3, INSP) est double : la distribution spatiale des modes excités est étudiée en détail et la sensibilité des techniques expérimentales est discutée à l’aide de règles de sélection. Ce dernier point, très général, permet de mieux profiter de la complémentarité des méthodes spectroscopiques pour appréhender la dynamique des cristaux magnoniques.
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janvier 2018
Les nanoparticules laissent leur empreinte dans les opales
Les nanoparticules sont utilisées dans de nombreux produits manufacturés et sont abondamment rejetées dans l’environnement. Or, on leur soupçonne des effets toxiques sur les écosystèmes et l’être humain. La détection sensible et sélective des nanoparticules est donc un défi environnemental et de santé. C’est dans ce contexte que l’équipe Nanostructures et optique de l’INSP, en collaboration avec des chimistes du Laboratoire ITODYS, a développé un capteur optique de nanoparticules alliant sensibilité et sélectivité en taille et chimie de surface. Avantage supplémentaire, la synthèse, simple et peu couteuse, est basée sur des techniques de chimie douce. L’originalité de ce capteur est d’associer pour la première fois les concepts de cristal photonique et de polymère à empreinte de nanoparticules.
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