Paris, 21 septembre 2011

Première traversée en solitaire d'un électron dans un métal
Quiconque chercherait à traquer un électron dans un métal serait bien en peine : les électrons sont non seulement des particules indiscernables les unes des autres, mais ils ont tendance à se déplacer en groupe dans les métaux. Pourtant, c'est bien la traversée solitaire d'un électron dans un tel matériau qu'ont réussi à observer et à maîtriser des physiciens de l'Institut Néel (CNRS) à Grenoble. Pour débusquer le phénomène, les chercheurs ont fabriqué un dispositif expérimental à base de « boîtes quantiques », entre lesquelles un unique électron a littéralement surfé sur une onde sonore. Une première qui pourrait sonner le début de la téléportation du spin d'un électron et de l'ordinateur quantique. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature le 22 septembre 2011.
Les boîtes quantiques sont le premier élément clé du dispositif conçu par les physiciens grenoblois, en collaboration avec les universités de Tokyo et de Bochum, en Allemagne. Circuits électroniques de plus en plus répandus dans les laboratoires de physique, les boîtes quantiques sont des sortes de pièges microscopiques à électrons. C'est-à-dire qu'on sait, via un fil électrique afférent, y glisser un par un des électrons. Les chercheurs de Grenoble ont placé deux de ces boîtes aux extrémités d'un canal sculpté dans une fine couche d'or (elle-même superposée à un sandwich constitué d'un isolant, de l'arséniure de gallium et d'un métal). La première boîte sert à libérer un électron dans le canal. La seconde, à récupérer la particule à l'autre bout, 3 microns plus loin.
Mais pour rendre possible cette traversée au long cours d'un électron, encore fallait-il aux physiciens imaginer un moyen de propulser l'électron d'une boîte quantique à l'autre. Un rôle dévolu à un générateur d'ondes radio, pièce essentielle de l'expérience. En émettant des ondes radio, le générateur produit par effet piézoélectrique (la capacité d'un matériau à se déformer en présence d'un champ électromagnétique) des ondes sonores dans l'arséniure de gallium. Ces ondes se comportent alors comme des vagues qui poussent l'électron le long du canal, un « surf » version électronique. En inventant ce mode de propulsion inédit, les scientifiques ont fait de l'électron un navigateur solitaire.
Au-delà de la performance expérimentale, le « surf électronique » donne des pistes en physique fondamentale pour généraliser les expériences d'optique quantique à d'autres particules que les photons. Pour l'instant, les grains de lumière sont en effet les seules particules à s'être prêtées à la téléportation et à la cryptographie quantiques. L'obstacle pour utiliser des électrons était précisément la difficulté à les déplacer individuellement entre boîtes quantiques (les briques de bases qu'on envisage pour ce type de physique). En faisant sauter ce verrou, le surf sur ondes sonores est un pas vers la téléportation du spin d'un électron, la cryptographie quantique à base d'électrons et l'ordinateur quantique.

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Paris, 20 juin 2005

Les quarks étranges, fugitifs constituants des protons

La collaboration internationale G-zéro, à laquelle le CNRS-IN2P3 (1) contribue très largement, vient de montrer que les quarks étranges jouent un rôle dans la structure des protons et des neutrons, les constituants des noyaux atomiques. Cette découverte est une étape importante dans la compréhension de l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales qui régissent l'Univers.

Les protons et les neutrons, qui s'assemblent pour former les noyaux atomiques, ont longtemps été considérés comme les constituants ultimes de la matière. Mais dans les années 1970, les physiciens ont montré qu'ils étaient en réalité eux-mêmes constitués de particules plus élémentaires, les « quarks » (porteurs d'une charge électrique). Plus précisément, ils sont faits de l'assemblage de quarks up et down (les deux quarks les plus légers, parmi les six existant dans l'Univers).

Ces quarks up et down sont liés par l'interaction forte : plus on cherche à éloigner deux quarks, plus ils s'attirent. Les quarks ne peuvent pas être extraits des protons ou des neutrons et observés à l'état libre. Pour rendre compte de ce nouvel état de fait, les physiciens ont construit une théorie, appelée la chromodynamique quantique (dont les auteurs ont reçu le prix Nobel en 2004). Cette théorie prévoit que protons et neutrons ne sont pas constitués des seuls quarks up et down, mais également d'une « mer » de paires quark/anti-quark, dont ceux de type « étrange », produites durant une fraction de seconde par l'interaction forte entre quarks up et down. Les quarks étranges de cette mer, les plus légers après les quarks up et down, peuvent se matérialiser fréquemment et influer sur les propriétés globales du proton. La mesure d'un tel effet sur les distributions de charges et de moments magnétiques à l'intérieur du proton est en cours depuis une décennie.

Dans ce cadre, une centaine de physiciens issus d'une vingtaine de laboratoires se sont rassemblés au sein d'une collaboration internationale, nommée G-zéro. Ils travaillent avec un accélérateur d'électrons au Laboratoire Thomas Jefferson (JLab), situé à Newport-News, en Virginie (aux Etats-Unis). Une quinzaine de physiciens français, appartenant à deux laboratoires du CNRS-IN2P3, le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble (2) et l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (3), font partie de la collaboration G-zéro. Depuis 1998, grâce au soutien financier de l'IN2P3 (600 000 euros sur trois ans), ils ont construit avec leurs équipes techniques la moitié des détecteurs de l'expérience, ainsi que l'électronique associée. Ils ont ensuite participé aux phases de validation de tout l'ensemble expérimental, puis à l'enregistrement et à l'analyse des données.

L'expérience réalisée par la collaboration G-zéro au JLab est conçue pour observer les distributions de charges et de moments magnétiques dans les protons, un peu comme on observe la structure interne du corps humain par radiographie X. Pour observer le proton à son échelle (10^-15 mètre), les physiciens utilisent des faisceaux d'électrons d'une énergie de plusieurs milliards d'électrons-volts (plus les objets à observer sont petits, plus l'énergie nécessaire est grande). La qualité des faisceaux et des ensembles de détection représente une prouesse technique. Avec ces instruments, la collaboration G-zéro a réussi à mettre en évidence l'influence des quarks étranges, malgré leur apparition fugitive, sur les distributions des charges et des moments magnétiques à l'intérieur des protons. De façon générale, la connaissance de cette distribution aidera les physiciens à comprendre comment l'interaction forte crée une « mer » de particules. Ce résultat est donc important pour la compréhension générale de l'interaction forte, qui régit les comportements du monde subatomique, notamment la construction d'objets aussi fondamentaux que les protons et les neutrons, et pour sa description dans le cadre de la théorie de la chromodynamique quantique.

 L'année prochaine, la collaboration G-zéro entame sa seconde phase, avec la construction par le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble d'un appareillage supplémentaire pour améliorer le détecteur. L'objectif est de parvenir d'ici deux ou trois ans à une cartographie du rôle des quarks étranges, et ceci sur les distributions à la fois de charge et de moment magnétique dans les protons et les neutrons.

Paris, 31 mai 2007

Vers la compréhension de la supraconductivité à haute température

Transporter de l'énergie sans aucune perte, voyager dans des trains à lévitation magnétique, faire de l'imagerie médicale (IRM) avec de tout petits appareils : un rêve qui se concrétisera lorsque l'on disposera de matériaux supraconducteurs(1) à température ambiante. Aujourd'hui, des chercheurs du CNRS(2) ont fait un pas en avant sur la route qui mène à cet objectif ultime. Ils ont mis en évidence la nature métallique d'une classe de matériaux supraconducteurs dits à haute température critique. Ce résultat, publié dans la revue Nature du 31 mai 2007, était attendu depuis 20 ans. Il ouvre la voie à la compréhension du phénomène et permet d'envisager sa description théorique globale.

La supraconductivité est un état de la matière caractérisé par une résistance électrique nulle et une imperméabilité au champ magnétique. Déjà utilisée dans l'imagerie médicale par exemple (appareils d'IRM), elle pourrait avoir des applications spectaculaires dans l'acheminement et le stockage d'énergie électrique sans perte, le développement de moyens de transports basés sur la lévitation magnétique, les communications sans fils ou encore l'ordinateur quantique. Mais pour l'instant, ces applications sont limitées par le fait que la supraconductivité ne se manifeste qu'à très basse température. Il a d'ailleurs fallu attendre la mise au point de la liquéfaction de l'hélium liquide (4,2 Kelvin, soit -269 °C) pour que la supraconductivité soit découverte en 1911 (découverte récompensée par le prix Nobel deux ans plus tard).

Depuis la fin des années 1980 (prix Nobel en 1987), les chercheurs ont réussi a obtenir des matériaux supraconducteurs à « haute température » : l'azote liquide (77 K, soit -196 °C) suffit à rendre certains de ces composés(3) supraconducteurs. Le record de température critique (la température de transition de phase au-dessous de laquelle la supraconductivité se manifeste) est aujourd'hui de 138 K (soit – 135 °C). Cette nouvelle classe de supraconducteurs, plus faciles et mois coûteux à utiliser, a relancé la course aux températures critiques, dont le but ultime est l'obtention de matériaux supraconducteurs à température ambiante. Mais les chercheurs ont jusqu'ici été limités par des questions fondamentales : quelle est l'origine de cette supraconductivité à l'échelle microscopique ? Comment les électrons se comportent-ils dans ces matériaux ?

  Des chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques pulsés(1), en collaboration avec les chercheurs de Sherbrooke, ont observé des « oscillations quantiques », grâce à leur expertise dans les champs magnétiques intenses. Ils ont soumis leurs échantillons à un champ magnétique allant jusqu'à 62 Teslas (un million de fois le champ magnétique terrestre), à très basse température (entre 1,5 K et 4,2 K). Le champ magnétique détruit l'état supraconducteur. L'échantillon, alors dans l'état normal, présente une oscillation de la résistance électrique en fonction du champ magnétique. Cette oscillation est caractéristique des métaux : cela signifie que, dans les échantillons étudiés, les électrons ont le même comportement que dans les métaux usuels. 

Les chercheurs vont s'appuyer sur ce résultat, attendu depuis 20 ans, pour comprendre la supraconductivité à haute température critique, qui résistait jusqu'ici à la modélisation. Cette découverte fait le ménage dans la foison de théories qui avaient vu le jour pour expliquer le phénomène et apporte une base concrète pour établir une nouvelle théorie. Elle permettra de concevoir des matériaux plus performants, dont la température critique se rapproche de la température ambiante.

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Paris, 17 juillet 2012

Des nano-antennes bio-inspirées pour la lumière
Si les antennes radios amplifient les signaux de nos téléphones portables et de nos télévisions, le même principe peut s'appliquer à la lumière. Pour la première fois, des chercheurs du CNRS et de l'université d'Aix-Marseille(1) sont parvenus à fabriquer une nano-antenne à partir de courts brins d'ADN, de deux nanoparticules d'or et d'une petite molécule fluorescente qui capte et émet de la lumière. Cette antenne optique facile à manipuler et à contrôler, est décrite dans un article publié dans Nature Communications le 17 juillet 2012. A plus long terme, ces travaux pourraient permettre de développer des diodes luminescentes plus efficaces, des cellules solaires plus compactes ou encore être utilisés en cryptographie quantique.
Puisque la lumière est une onde, il devrait être possible de mettre au point des antennes optiques capables d'amplifier le signal lumineux de la même façon que les antennes de nos télévisions ou de nos portables captent les ondes radios. Or, la lumière oscillant un million de fois plus rapidement que les ondes radio, il faut des objets extrêmement petits de l'ordre du nanomètre(2) (nm) pour capter ces ondes lumineuses très rapides. C'est pourquoi, l'équivalent optique d'une antenne élémentaire (de type dipolaire) est un émetteur quantique(3) entouré de deux particules mille fois plus petites qu'un cheveu humain.

Pour la première fois, les chercheurs des Instituts Langevin et Fresnel1 ont mis au point une telle nano-antenne bio-inspirée pour la lumière, simple et facile à manipuler. Sur de courts brins d'ADN synthétiques (10 à 15 nm de long), ils ont greffé des particules d'or (de 36 nm de diamètre) et un colorant organique fluorescent. La molécule fluoresc ente agit comme une source quantique qui alimente l'antenne en photons tandis que les nanoparticules d'or amplifient l'interaction entre l'émetteur et la lumière. Les scientifiques ont produit en parallèle plusieurs milliards de copies de ces paires de particules (en solution) en contrôlant la position de la molécule fluorescente au nanomètre près, grâce à l'ossature d'ADN. Ces caractéristiques dépassent largement les possibilités offertes par les techniques classiques de lithographies utilisées actuellement dans la conception des microprocesseurs. A plus long terme, une telle miniaturisation pourrait permettre le développement de diodes luminescentes plus efficaces, de détecteurs plus rapides et de cellules solaires plus compactes. Ces nano-sources de lumière pourraient également être utilisées en cryptographie quantique.

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