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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Paris, 22 janvier 2007                   DOCUMENT       CNRS             LIEN

Mise en rotation d'une roue moléculaire montée sur un essieu
Des chercheurs du Centre d'élaboration des matériaux et d'études structurales de Toulouse (CEMES-CNRS) et leurs collègues de la Freie Universität de Berlin sont parvenus pour la première fois à contrôler la rotation d'une roue dans la molécule. L'expérience de nano-mécanique porte sur une roue d'un diamètre de 0.7 nm attachée à un essieu de 0.6 nm de long. Une telle réussite ouvre la voie à la création des premières molécule-machines. Ces travaux sont publiés on line, le 21 janvier 2007, dans la revue Nature Nanotechnology.

Dans l'histoire des inventions, la roue est à l'origine de développements scientifiques et technologiques considérables : depuis la création des horloges astronomiques, des machines à calculer jusqu'aux véhicules tractés et autres voitures à moteurs. Á l'échelle moléculaire, plus petite échelle pour créer une roue, elle représente pour les chimistes et les physiciens un véritable défi. Depuis la fin des années 1990, les chimistes du CEMES travaillent à la réalisation de molécule-machines munies de roues. Étape par étape, ils ont défriché ce domaine avec leurs collègues d'IBM Zürich puis de la Freie Universität de Berlin. Après l'observation de la rotation aléatoire d'une roue moléculaire à plat en 1998, la conception et la synthèse d'une brouette unimoléculaire en 2003 puis la synthèse d'un moteur moléculaire en 2005, ils sont parvenus l'année dernière à faire fonctionner la première crémaillère moléculaire d'un pignon de 1.2 nm de diamètre.

 
Aujourd'hui, les chercheurs ont montré qu'une roue moléculaire montée sur un essieu, le plus court possible, pouvait tourner. Ils ont réussi à contrôler son sens de rotation. Pour préparer cette expérience de nano-mécanique, les chimistes du CEMES-CNRS ont conçu et synthétisé une machinerie moléculaire simple faite d'une molécule-essieu de 0.6 nm de long où viennent se lier chimiquement deux roues triptycènes d'un diamètre de l'ordre de 0.7 nm (fig. 1). Le type de roue et de surface a été minutieusement choisi. Deux roues crantées et sans « pneus » ont été utilisées pour leur adhérence maximale à la surface de roulement, une surface de cuivre ultra propre. Sa rugosité naturelle présente des rangées d'atomes de cuivre séparées d'une distance de 0.3 nm environ et d'une hauteur mono-atomique.

L'expérience consiste à déposer délicatement des molécules roue-essieu-roue sur la surface de cuivre puis à repérer par imagerie en microscopie à effet tunnel (STM) et à très basse température les molécules se trouvant dans la bonne orientation par rapport aux rangées d'atomes de la surface. La pointe du STM positionnée sur une roue permet de la faire tourner. En avançant la pointe (fig. 2), le microscope se comporte comme un doigt agissant dans le déclenchement de la rotation.

 
L'opérateur du STM suit en temps réel sur son écran de contrôle les variations du courant électrique qui passe au travers de la roue pendant qu'il la fait tourner. Suivant les conditions de manipulation de la molécule, il peut à loisir faire tourner une roue puis l'autre alors que la molécule avance ou faire avancer la molécule sans faire tourner ses roues.

 Cette expérience permet d'approcher et de comprendre à l'échelle d'une seule molécule des fonctionnalités connues à l'échelle macroscopique. Sans roue, certains modes d'avancée technologique ne pourraient pas fonctionner. La séparation de la partie habitable ou technique d'un véhicule, par exemple, est obligatoire pour éviter le frottement. Á l'échelle moléculaire, le raisonnement et les conséquences sont similaires. Si le plateau de la molécule n'est pas séparé de la surface, il y a interaction et donc destruction. Ces résultats ouvrent la voie à la création de molécule-machines. Un objectif ? Pouvoir un jour embarquer dans une seule molécule toute la machinerie d'une nano-voiture : quatre roues, un moteur, etc.

Paris, 29 mars 2012

Générer pour la première fois un rayonnement ultra-bref de manière contrôlée à l'aide d'un plasma
Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques. Si des dispositifs capables d'émettre des impulsions dans le domaine de l'attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s'efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée. Une équipe pilotée par le Laboratoire d'optique appliquée (LOA, CNRS / ENSTA-Paristech / Ecole Polytechnique), en collaboration avec le CEA-Saclay et le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS / CEA / Ecole Polytechnique / UPMC), a réussi, pour la première fois, à accélérer et guider de façon reproductible des électrons dans un plasma à l'aide d'un laser. Ces électrons excitent le plasma, qui émet alors des impulsions électromagnétiques ultra brèves à des longueurs d'onde dans le domaine de l'extrême ultraviolet. Ce rayonnement attoseconde énergétique pourra servir à sonder les processus électroniques ultra rapides. Ces travaux sont publiés dans Nature Physics.
Des événements, tels que l'ionisation d'un atome ou le passage d'un électron d'un état d'excitation à un autre, se déroulent sur des échelles de temps typiques de l'ordre de l'attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde). Pour les observer en direct, on doit pouvoir produire des impulsions lumineuses d'une durée comparable afin de « saisir » l'évolution du phénomène, à la manière d'un obturateur photographique. Jusqu'à présent, il n'existait qu'une manière d'obtenir des impulsions aussi brèves, en excitant par laser les électrons d'un gaz. Ces derniers émettent alors une impulsion dans le domaine de l'extrême ultraviolet (X-UV). Mais ce procédé a des limites et, pour observer certains phénomènes, les chercheurs auraient besoin de sources encore plus brèves et surtout plus énergétiques. Voilà pourquoi de nombreuses équipes se sont tournées vers la physique des plasmas, cet état de la matière extrêmement chaud et dense, constitué d'ions et d'électrons.
L'équipe menée par le LOA est la première à avoir obtenu des impulsions attoseconde dans l'X-UV de façon reproductible en contrôlant l'excitation d'un plasma par des électrons accélérés dans un champ laser. Pour y parvenir, les chercheurs ont d'abord dû développer une source laser très performante, permettant d'atteindre des éclairements mille à dix mille fois supérieurs à ceux utilisés dans les milieux gazeux, et délivrant un millier d'impulsions par seconde d'une durée de l'ordre de quelques femtosecondes chacune (10-15 seconde). De plus, cette source est stabilisée en phase : toutes les impulsions générées sont identiques les unes par rapport aux autres. Les chercheurs sont parvenus à focaliser toute la puissance lumineuse du laser sur une tache d'un peu plus d'un micron de diamètre à la surface d'une cible en silice. La matière de la cible est ainsi transformée en un plasma de densité comparable à celle d'un solide. Dans ce plasma, les électrons sont fortement accélérés par le champ électromagnétique produit par le faisceau laser. Lorsqu'ils traversent le plasma, ils excitent au sein de celui-ci des mouvements collectifs de charges produisant alors un rayonnement X-UV que les chercheurs ont pu observer et analyser à l'aide d'un spectromètre.

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