LA GRAVITATION : HISTOIRE ET PROBLÈMES ACTUELS

Conférence donnée le 4 novembre 2003 par Luc Blanchet, physicien théoricien au GReCO-IAP. La relativité générale, créée en 1915 par Einstein, est issue d'une combinaison remarquable du principe de relativité, qui stipule l'invariance des lois de la physique dans les changements de repères inertiels (les lois sont les mêmes dans le train à grande vitesse et sur le talus immobile le long des rails), et le principe d'équivalence exprimant la fameuse égalité de la chute des corps (une plume tombe à la même accélération qu'une bille de plomb dans le champ de gravitation). Le pulsar binaire PSR 1913+16, un pulsar en orbite autour d'une autre étoile à neutrons, a montré l'existence d'une prédiction de cette théorie : les ondes gravitationnelles, que forme le champ de gravitation en se déplacant à la vitesse de la lumière. Les expériences VIRGO et LIGO vont permettre d'observer directement ces ondes, émises par des systèmes d'étoiles à neutrons ou de trous noirs doubles, au moment de leur fusion finale pour former un trou noir. La dynamique de ces systèmes se déduira de la comparaison avec la théorie dans ce qu'elle a de plus "pur" : le problème du mouvement gravitationnel de deux corps.

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Paris, 13 mars 2008

Nanoélectronique : les chercheurs observent en direct la compression de la lumière

Une équipe de chercheurs du CEA(1) et de l'Université de Technologie de Troyes associée au CNRS(2) a visualisé, au microscope, des plasmons à la surface de conducteurs mesurant 30 nanomètres. L'utilisation de ces plasmons, signaux à la limite de l'électronique et de l'optique, devient, à cette échelle, un enjeu important pour la miniaturisation recherchée des circuits électroniques.
C'est la première fois que des images d'une telle résolution sont obtenues pour ces phénomènes étudiés depuis une dizaine d'années. Cette observation fait l'objet d'une publication dans Nano Letters du 12 mars 2008.
En électronique, les efforts technologiques se poursuivent pour réaliser des circuits de plus en plus fins et permettant de traiter l'information à des fréquences de plus en plus élevées. Si les dispositifs électroniques deviennent plus petits et plus complexes (les micro-processeurs des ordinateurs), ils restent limités à des fréquences usuelles de l'ordre du gigahertz. Les fréquences optiques sont un million de fois plus élevées (1015 Hz), mais les limites spatiales imposées par la longueur d'onde de la lumière (de l'ordre du micron) empêchent une miniaturisation plus poussée.
Pour réduire encore la longueur d’onde, et en quelque sorte comprimer la lumière, une solution consiste à convertir le signal lumineux en « plasmon ». Le plasmon est un phénomène ayant tous les caractères d’une onde lumineuse, sauf qu’il reste bloqué aux parois d’un métal conducteur. Lorsque le diamètre de l’objet métallique est réduit à 30 nm, le plasmon développe un mode dit « lent » (on parle de plasmon lent). Or ce mode lent a la propriété d’osciller à la fréquence de l’onde lumineuse tout en ayant une longueur d’onde très inférieure à celle de  la lumière !
Les chercheurs s’y intéressent car c’est à cette même échelle approchant les 30 nm que se poseront bientôt les limites de miniaturisation en électronique.

Ces principes étaient connus, mais il restait à les observer concrètement. Lorsque le plasmon excité par la lumière se propage sur le conducteur, différents effets secondaires apparaissent, parmi lesquels l’émission d’électrons. Les chercheurs ont donc utilisé un microscope PEEM (Photo Emission Electron Microscopy) pour obtenir ces images.

La première figure montre l'émission issue d'un fil d'or. Les modulations d'intensité résultent des interférences entre le plasmon lent et l'onde lumineuse d'excitation.
L’image à très haute résolution (fig.2) montre un mode lent d'excitation plasmon d'un « bâtonnet » de 100 nm de long par de la lumière de longueur d'onde 807 nm. Ici on peut comprimer par 3 la longueur d’onde par rapport à la longueur d’onde de la lumière (entre 250 et 300 nm).
En convertissant l'information d'un signal optique vers un plasmon lent, on peut ainsi envisager, pour des structures voisines de 30 nm, de concilier les hautes fréquences optiques et les dimensions « classiques » de l’électronique silicium.

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Paris, 31 janvier 2014

Des chercheurs réalisent une LED composée d'une seule molécule
La course à la miniaturisation des diodes électroluminescentes (DEL, en anglais : Light-Emitting Diode, LED) vient sans doute de franchir l'étape ultime : une équipe menée par l'Institut de physique et de chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg), en collaboration avec l'UPMC et le CEA, vient de réaliser la première LED composée d'une seule molécule. Ce dispositif est formé d'un brin unique de polythiophène placé entre la pointe d'un microscope à effet tunnel et une surface en or. Il émet de la lumière seulement lorsque le courant passe dans un certain sens. Ce tour de force expérimental permet de mieux comprendre les interactions entre électrons et photons aux plus petites échelles. Il constitue par ailleurs un pas de plus vers la réalisation de composants pour un futur ordinateur moléculaire. Ces travaux viennent d'être publiés dans Physical Review Letters.
Les diodes électroluminescentes sont des composants qui émettent de la lumière lorsqu'elles sont traversées par un courant électrique et qui ne laissent passer celui-ci que dans un sens. Les LED occupent une place importante dans notre quotidien où elles jouent un rôle d'indicateur lumineux. Elles sont également promises à un bel avenir dans le domaine de l'éclairage où elles conquièrent progressivement le marché. Un avantage majeur des LED est qu'il est possible d'en construire de très petite taille, permettant ainsi l'obtention de sources de lumière ponctuelles. Dans ce cadre, une étape ultime de miniaturisation vient d'être franchie par des chercheurs de l'IPCMS de Strasbourg, en collaboration avec une équipe de l'Institut Parisien de Chimie Moléculaire (CNRS/UPMC) : la réalisation de  la première LED composée d'une seule molécule !

Pour y parvenir, ils ont utilisé un brin unique de polythiophène. Ce matériau bon conducteur de courant, composé d'hydrogène, de carbone et de soufre, est utilisé dans la fabrication de LED commerciales de plus grande taille. Le brin de polythiophène était fixé d'un côté à la pointe d'un microscope à effet tunnel, et de l'autre à une surface en or. Les expérimentateurs ont alors enregistré la lumière émise lors du passage d'un courant au travers de ce nanofil. Ils ont pu constater que le brin de thiophène se comporte comme une diode électroluminescente : la lumière n'est émise que lorsque les électrons vont de la pointe du microscope vers la surface en or. Lorsque la polarité est inversée, l'émission de lumière est négligeable.

En collaboration avec une équipe théorique du Service de physique de l'état condensé (CNRS-CEA/IRAMIS/SPEC), les chercheurs ont montré que cette lumière est émise lorsqu'une charge négative (un électron) se recombine à une charge positive (un trou) au sein du nanofil et transmet  l'essentiel de son énergie à un photon. Tous les 100 000 électrons injectés dans le brin de thiophène, un photon est émis. La longueur d'onde de ce dernier se trouve dans la gamme du rouge.   

D'un point de vue fondamental, ce dispositif offre aux chercheurs un outil nouveau pour sonder les phénomènes qui se produisent lorsqu'un matériau conducteur émet de la lumière. Ceci, à une échelle où la physique quantique prend le pas sur la physique classique. Il permettra en outre d'optimiser les matériaux afin d'obtenir des émissions lumineuses plus performantes. Enfin, ces travaux constituent un premier pas vers la réalisation de composants de taille moléculaire qui combinent propriétés électroniques et optiques. Des composants similaires pourraient être à la base de l'ordinateur moléculaire.

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Paris, 7 janvier 2014

Une fresque géante pour découvrir « Le monde en équations » à la station de métro Montparnasse-Bienvenüe à Paris

Evolution des galaxies, du climat ou des épidémies, analyse des risques d'inondations ou de séismes, restauration du patrimoine … sont représentés par les scientifiques grâce aux équations. A partir du 8 janvier et deux mois durant, le CNRS et la RATP vous invitent à découvrir une fresque géante illustrant « Le monde en équations » à la station Montparnasse-Bienvenüe à Paris. A travers d'étonnantes images grand format exposées le long des 134 mètres du couloir de correspondance, les usagers pourront contempler les possibilités offertes par les modélisations et les simulations.
A partir du 8 janvier 2014 et pendant deux mois, le CNRS et la RATP proposent aux voyageurs de découvrir en images les recherches menées dans les laboratoires à travers la modélisation et la simulation : prévoir des phénomènes complexes ou impossibles à reproduire en laboratoire, reconstituer le passé, comprendre l'Univers… autant de thèmes abordés sur cette fresque inédite. Conçue par le CNRS, elle réunit de superbes images scientifiques obtenues par des chercheurs au cours de leurs travaux.

 « Le monde en équations » part du constat que la plupart des lois de la nature peuvent s'exprimer sous formes d'équations. Scientifiques et ingénieurs utilisent des modèles mathématiques pour décrire les phénomènes qu'ils étudient. Grâce aux équations toujours, ils simulent des processus physiques. Le temps d'un voyage, sur les 134 mètres du couloir de correspondance de la station de métro Montparnasse-Bienvenüe à Paris, les usagers pourront visualiser des données abstraites, découvrir des éléments extrêmement petits, de la taille nanométrique (un milliardième de mètre) à la taille moléculaire, explorer la dynamique du corps humain, comprendre comment les scientifiques cherchent à simuler l'avenir ou analyser les risques…

D'une hauteur de 4,8 mètres, cette fresque géante témoigne de la très grande diversité des recherches menées au CNRS, organisme pluridisciplinaire par excellence guidé par le désir de compréhension du monde et de production des connaissances. Le CNRS entend ainsi rendre accessibles au grand public le sens et la portée des recherches actuelles.

Pendant le transport, la vie continue. Enrichir les espaces de transport est fondamental : c'est pourquoi la RATP cherche à y introduire plus de services, mais également plus de sens et d'émotions positives pour améliorer le quotidien des 10 millions de personnes qui empruntent chaque jour ses réseaux. Tout au long de l'année, la RATP utilise ses espaces pour promouvoir la culture. Elle souhaite ainsi enrichir le parcours des voyageurs, les surprendre, les étonner et leur donner une possibilité d'accéder à la culture sous toutes ses formes.

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