Institut des NanoSciences de Paris

« Chapeau mexicain » pour les vortex magnétiques !

Elisabeth Martin — 2012-05-11T08:34:10Z

Dans la course au stockage d'information, des plots magnétiques de taille nanomètrique sont de très bons candidats. Leur comportement est toutefois souvent surprenant. Aussi cherche-t-on à utiliser des modèles simples pour s'y retrouver. Le modèle du « chapeau mexicain inversé », élaboré par un théoricien de l'INSP¹, en collaboration avec un chercheur du laboratoire MPQ¹, permet ainsi de rassembler sous un même … chapeau des effets divers.

1 Philippe Depondt – Institut des Nanosciences de Paris (INSP), en collaboration avec Jean-Claude Lévy - laboratoire « Matériaux et Phénomènes Quantiques » - voir publication Phys. Letters A 375 (2011) 4085-4090

Comment les moments magnétiques associés aux atomes s'arrangent-t-ils ? Deux aimants droits macroscopiques se placent spontanément tête-bêche. C'est le résultat de « l'interaction dipôle-dipôle », effet également présent au niveau des atomes. Un effet quantique, « l'interaction d'échange », s'y ajoute et tend généralement à rendre les moments magnétiques atomiques parallèles. Ces deux effets entrent donc en compétition et produisent des comportements variés et complexes. Dans cette situation, les moments magnétiques se structurent souvent en formant des vortex. Or chaque vortex, dans lequel les moments magnétiques s'arrangent en cercles concentriques, une espèce de tourbillon magnétique, peut servir au stockage de données à l'échelle de quelques nanomètres. Outre leur utilité, ces systèmes sont gouvernés par une dynamique fortement non-linéaire, au comportement parfois déroutant ; ce qui en fait un terrain de jeu particulièrement stimulant pour des physiciens !

Pour approfondir cette physique, un théoricien de l'équipe « Oxydes en basses dimensions » de l'Institut des Nanosciences de Paris (INSP), notamment, a procédé à des simulations permettant de calculer l'évolution temporelle de l'orientation des moments magnétiques des atomes. Ces simulations comportent les deux types d'interaction, le système étant préparé dans un état initial avec un vortex dont le cœur est déplacé par rapport au centre de l'échantillon, c'est-à-dire une situation hors d'équilibre. On peut alors observer la trajectoire du vortex au cours du temps. Certaines expériences permettent dans une certaine mesure - avec beaucoup de difficultés -, des observations similaires. Le vortex rejoint... ou ne rejoint pas le centre par un mouvement dit « gyrotropique » (une espèce de précession), ce qui pose un certain nombre de questions : quel est l'état fondamental du système, comment comprendre des comportements apparemment imprévisibles ?

Pour des raisons de simplicité, les chercheurs ont travaillé sur un réseau carré fixe de moments magnétiques (par exemple 128x128) et résolu numériquement l'équation de Landau-Lifshitz avec un terme d'amortissement qui régit leur dynamique.

Ils ont ainsi obtenu l'histoire de chacun des moments magnétiques du système.

Il reste à analyser cette masse de données.

Sur la figure ci-contre, la trajectoire dans le plan (X,Y) d'un cœur de vortex en fonction du temps (axe vertical, unités « réduites »). Les axes X et Y sont numérotés en nombre de sites. La différence entre la courbe rouge et la courbe verte est seulement le point de départ du cœur du vortex. Dans le premier cas, il rejoint le centre par un mouvement gyrotropique, alors qu'en principe, l'état fondamental, dans ce cas, est un état sans vortex. Dans le deuxième cas, il disparaît très rapidement.

Afin de comprendre ces paradoxes apparents, des situations diverses ont été explorées. Finalement, grâce à ces simulations, un modèle énergétique simple et aisément justifiable de « chapeau mexicain inversé » (figure), a pu être élaboré et permet de mettre de l'ordre et de comprendre ces comportements. La figure donne l'énergie du système en fonction de l'emplacement du cœur de vortex : selon le point de départ choisi, la trajectoire suivie par ce cœur de vortex peut être très différente. Malgré sa grande simplicité, cette représentation rend compte de nombreux phénomènes.

Si ces systèmes à vortex intéressent beaucoup la communauté pour des raisons de stockage d'information, ce sont aussi des objets qui présentent une physique assez riche de par la complexité intrinsèque de l'interaction dipôle-dipôle toujours présente en électromagnétisme.

L'animation montre le mouvement gyrotropique d'un vortex obtenu par simulation.

Pour en savoir plus

Phys. Letters A 375 (2011) 4085-4090

Supraconductivité : la théorie vient de franchir un gap vieux d'un demi-siècle !

stephanie — 2012-02-03T10:48:09Z

Des études théoriques menées à l'INSP*, en collaboration avec l'Institut de Recherches Mathématiques de Rennes, ont montré, que les paires d'électrons corrélés en « paires de Cooper » - qui sont à la base de la compréhension théorique de l'état supraconducteur - ont une énergie moyenne considérablement inférieure au gap, et que plus encore, ces paires ne sont pas toutes dans le même état, contrairement à ce que la théorie proposée par Bardeen, Cooper et Schrieffer, conduisait à croire depuis un demi-siècle !

La découverte expérimentale de la supraconductivité date tout juste de 100 ans. Ce phénomène a tellement étonné, qu'il a fallu attendre une cinquantaine d'années, pour qu'une théorie phénoménologique acceptable soit proposée. Elle repose sur l'existence d'une attraction entre deux électrons - qui normalement se repoussent - mediée par le mouvement des ions. Cette idée, vraiment cruciale et des plus novatrices, n'a pourtant pas valu à Fröhlich l'honneur de partager le prix Nobel avec Bardeen, Cooper et Schrieffer.

Cette attraction entre électrons conduit à les apparier en couples, appelés « paires de Cooper », ce qui donne à ces paires, faites de deux fermions, une nature quantique de type boson. D'où l'idée d'un condensat cohérent de paires de Cooper, toutes dans le même état, comme le feraient des bosons élémentaires dans une condensation BEC** , prédite il y a un siècle par Bose et Einstein.

Bien que ces paires soient de type boson, elles sont quand même faites de deux fermions, et le principe d'exclusion de Pauli - qui fait que deux fermions ne peuvent être dans le même état - doit se faire sentir entre les électrons de ces paires ; ce d'autant plus, que le potentiel d'attraction proposé par Bardeen, Cooper et Schrieffer, dit « potentiel BCS », est pris tel, que les paires de Cooper n'interagissent pas directement par ce potentiel, mais seulement par le principe de Pauli.

Par un calcul variationnel très simple, vue la forme simplifiée du potentiel BCS, on trouve que, quelque soit la force de ce potentiel, l'état avec tous les électrons appariés de la même façon a une énergie plus basse que l'état dit « normal », c'est à dire, sans appariement. Ceci étant, l'énergie de liaison obtenue a été interprétée de manière totalement inacceptable quand on comprend un peu comment les bosons composites interagissent. En particulier, il est dit que l'énergie moyenne des paires est égale au gap supraconducteur alors que celui-ci est considérablement plus grand que l'énergie calculée par Cooper pour une seule paire.

Cette idée ne peut qu'être fausse ! En effet, l'énergie moyenne par paire ne peut que décroître, quand le nombre de paires croît, car les paires se « gênent » à cause du principe d'exclusion de Pauli et augmenter leur nombre, ne peut qu'être défavorable.

Quelques années après la solution variationnelle proposée par Bardeen, Cooper et Schrieffer, Richardson, d'une part, et Gaudin du CEA, d'autre part, ont montré que l'équation de Schrödinger avec un potentiel BCS peut être exactement résolue, quelque soit le nombre de paires. Mais, malheureusement pour eux, ils n'ont fait que la moitié du chemin, ce qui fait que leur superbe résultat, sur l'un des plus grands problèmes de Physique du Solide, n'a pas reçu l'intérêt qu'il mérite.

En effet, Richardson et Gaudin ont écrit l'énergie exacte de N paires sous la forme d'une somme de N paramètres, solutions de N équations non-linéaires, couplées de façon, certes très élégante, mais particulièrement méchante pour une résolution analytique.

Cette résolution est restée un problème mathématique ouvert pendant 45 ans. Nous venons de le casser.

Dans les choses importantes que la solution exacte montre, on trouve que :

(i) l'énergie par paire décroît avec le nombre de paires ; donc elle n'est pas égale au gap, comme nous l'avions intuitivement compris ; (ii) cette décroissance est linéaire, ce qui montre que les paires de Cooper ne se sentent que par le principe de Pauli, et pas du tout par le potentiel BCS, comme nous l'avions aussi compris ; (iii) enfin, les paires ne sont absolument pas toutes condensées dans le même état, comme supposé par Bardeen et accepté par tous après lui.

Ces travaux ont aussi des applications en physique des « gaz froids quantiques » pour l'étude de la transition entre un condensat BEC et un condensat BCS, car les interactions dans ces systèmes sont de fait approximées par un potentiel type BCS.

*Par Monique Combescot (INSP) et Michel Crouzeix (Institut de recherches mathématiques de Rennes (Université RENNES I) et publiés ( « Energy of N Cooper Pairs by Analytically Solving the Richardson-Gaudin Equations for Conventional Superconductors » Michel Crouzeix and Monique Combescot Physics Review Letters 107,267001 (2011))

**BEC pour « Bose-Einstein condensation »

Mise en ordre de molécules photochromes sur substrat d'or : un système ultra-mince activable sous pointe tunnel ?

Elisabeth Martin — 2012-01-18T14:40:09Z

Les molécules de diaryléthène sont des photochromes qui changent de conformation et d'absorption optique sous irradiation de lumière UV. Comment faire fonctionner ces molécules en monocouche sur substrat métallique, est une question que se posent de nombreux chercheurs. Pour leur part, les chercheurs de l'INSP ont réussi à former des monocouches ordonnées de diaryléthène, pour la première fois sur substrat d'or, à les observer par STM, à la résolution submoléculaire et à analyser la structure des deux formes de la molécules, irradiée et non irradiée. [1]

Les molécules photochromes sont très étudiées depuis plusieurs années, essentiellement par la communauté chimiste, pour leur capacité à changer d'état et, en général, de propriétés de conjugaison électronique sous illumination et ceci de façon réversible.

En effet, cette capacité permet de les assimiler à des interrupteurs moléculaires, ou à des systèmes optiquement actifs, du fait de la variation de leur absorption après irradiation lumineuse. Ils sont donc intéressants pour une éventuelle mise au point de composants électroniques ultra-minces, qui seraient constitués d'une simple monocouche et pourraient être activés par irradiation lumineuse.

Dans ce cadre, la question qui se pose est celle de l'interaction des molécules avec un substrat conducteur, le substrat le plus classique, en particulier le plus stable, l'or Au(111) : est-il possible de mettre au point des monocouches denses qui permettraient d'obtenir un signal électronique, ou optique mesurable ?

Autre interrogation : également, en monocouche, est-il possible d'éviter la désactivation, souvent observée, des propriétés de commutation de la molécule, liée à la présence du substrat métallique à proximité ? Pour répondre à ces questions et, à terme, étudier l'influence éventuelle du substrat et de l'auto-organisation sur les propriétés photochromes, l'équipe « Physico-chimie des surfaces fonctionnelles » de l'Institut des nanosciences de Paris, a démarré une collaboration avec le groupe de Y. Pei de l'ICMMO (Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay), qui a synthétisé une nouvelle molécule de la famille des diaryléthènes, en forme d'étoile (fig. 1), avec un groupement thiol de 6 carbones, qui permet un accrochage covalent sur substrat d'or. Alors que, jusqu'ici, il n'y avait que peu de molécules que l'on ait réussi à ordonner sur substrat d'or Au (111) - en particulier aucune de la famille des diaryléthènes -, les chercheurs en présence ont créé une monocouche ordonnée sur Au (111) et identifié son organisation par microscopie à effet tunnel (STM). De plus, ces derniers ont pu ordonner les deux formes de la molécule, indépendamment : la forme ouverte ainsi que la forme fermée.

Ces résultats ont aussi été obtenus en collaboration avec des collègues ukrainiens, A. Marchenko, actuellement à l'Institut de Physique de Kiev, pour une partie des expériences de microscopie à effet tunnel - STM et O. Kapitanchuck, pour les calculs de densité électronique moléculaire, ainsi qu'avec F. Maurel de l'Itodys, pour le calcul de la géométrie d'équilibre de la molécule.

Les chercheurs ont ainsi démontré que les contrastes STM de la monocouche en forme ouverte (1o) ou en forme fermée (1f) sont très différents, avec une apparence de lignes, pour le premier cas (figure 2gauche-a) et de réseau quasi-hexagonal (figure 2gauche-b), pour le deuxième. Néanmoins une maille identique (2x4√3) peut être définie à partir des images, démontrant que les structures adsorbées sont commensurables avec le substrat. Par ailleurs, grâce aux calculs de densité électronique (figure 2 droite-b), les spots de contraste STM ont pu être interprétés comme correspondant aux quatre zones de grande densité électronique de la molécule. La géométrie de la molécule est donc en ombrelle (groupe conjugué quasi-parallèle au substrat-figure 2 droite-a) et un réseau identique pour les deux formes de la molécule a été établi avec une maille cristallographique en fait (4x4√3) (figure 2).

Les différences de contraste STM, entre les deux formes de la molécule sont donc uniquement liées aux variations de géométrie au niveau du groupement fonctionnel, plus rigide pour la forme fermée [1].

Un réseau ordonné a finalement pu être obtenu grâce à la forme en étoile de la molécule, qui a permis la formation d'un réseau dense avec de fortes interactions intermoléculaires.

Le fait d'obtenir le même réseau pour les deux formes est très favorable dans la perspective de commuter in-situ sur substrat métallique. Ces premiers travaux ont d'ores et déjà mis en évidence, qu'une impulsion de tension permet la commutation in-situ, sous la pointe STM (figure 3). Ceci démontre que l'accrochage de la molécule sur l'or, via une chaine alkyle de 6 carbones constitue un espaceur efficace pour empêcher la désactivation des propriétés photochromes par le substrat. Cela permet surtout d'envisager des modifications très locales de ces molécules sous une pointe tunnel.

Figure 1 : schéma de la molécule de la famille des diaryléthène utilisée, ainsi que des deux formes qu'elle présente, ouverte (1o) et fermée (1c).

Figure 2 : gauche : a) image STM de la forme ouverte (It = 1.74 pA, Ut = 716 mV, 7x4.7 nm2), b) image de la forme fermée (It = 1.68 pA ; Ut =700 mV, 4.7x3 nm2) ; droite : a) calcul de la géométrie d'équilibre, b) calcul de la densité électronique du niveau HOMO de la molécule, c) modèle du réseau moléculaire.

Figure 3 : variation du contraste STM quand la tension tunnel varie, associé à une commutation des molécules sous la pointe STM.

Pour en savoir plus

[1] STM observation of monolayers formed by thiolated diarylethene molecules in open and closed states on reconstructed Au(111) surface, S. Snegiir, A. Marchenko, P. Yu , O. L. Kapitanchuk, S. Mazerat, A. Léaustic and E. Lacaze, J. Phys. Chem. Lett. (2011) 2, 2433.

Des opales métallisées pour concentrer l'énergie lumineuse

Elisabeth Martin — 2011-12-20T13:06:08Z

Les nanostructures métalliques présentent des modes du champ électromagnétique très localisés et très intenses, susceptibles d'optimiser des dispositifs basés sur l'absorption ou l'émission de lumière. Mais pour cela, il faut que la surface métallique macroscopique présente un relief périodique nanostructuré couplé à la lumière, sur une large bande spectrale. En déposant une couche d'or sur une opale de synthèse, l'équipe « Nanophotonique et optique quantique » de l'Institut des nanosciences de Paris (INSP), a ainsi conçu des échantillons générant une absorption de la lumière, proche de 100%, sur une large bande du domaine visible. Une avancée qui pourrait avoir des applications pour les diodes luminescentes, cellules photovoltaïques, sources de photons uniques et en matière d'imagerie biologique.

Les modes « surface-plasmon polaritons » (SPP) d'une surface métallique, sont des modes d'ondulation couplés (champ éléctromagnétique et électrons du métal), concentrés à très grande proximité de la surface (épaisseur de l'ordre de 200 nm dans l'air et de 30 nm dans le métal).

En surface d'un métal, l'absorption ou l'émission lumineuse est donc favorisée par la présence de ces modes de champ très intense. Mais pour être couplée à la lumière, la surface métallique doit présenter un relief périodique à l'échelle de quelques centaines de nanomètres. Pour des applications telles que, des cellules solaires ou diodes électroluminescentes, il faut être en mesure de fabriquer des échantillons métalliques nanostructurés de dimensions macroscopiques, avec un couplage à la lumière sur une large bande spectrale.

Différentes voies ont été explorées pour réaliser cette structuration : lithographie électronique, « nano imprint », holographie…

Dans une publication récente*, l'équipe « Nanophotonique et optique quantique », de l'Institut des nanosciences de Paris (INSP), propose une autre voie qui consiste à réaliser une opale par dépôt auto-organisé de billes de silice de 300 nm, puis à recouvrir celle-ci, d'une couche d'or (fig.1a).

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Figure 1 : (a) schéma des échantillons réalisés : une opale (empilement auto-organisé de billes de silice de 390 nm) recouverte par une couche d'or (épaisseur de 150 à 500 nm). (b) Image AFM de la surface d'un échantillon (épaisseur d'or : 500 nm).

L'opale, dont la synthèse est étudiée depuis une quinzaine d'années et de mieux en mieux maîtrisée, sert donc de support, pour imposer un relief nanométrique à la surface métallique (image fig.1 réalisée par AFM). Les échantillons obtenus sont de dimension centimétrique. La profondeur du relief peut varier de 55 à 150 nm en changeant l'épaisseur d'or (voire en ajoutant une sous-couche de lissage de silice.).

De telles structures ont fait l'objet de certaines applications, notamment en SERS (surface enhanced Raman spectroscopy), mais aucune caractérisation optique précise n'avait, jusqu'à ce jour, été réalisée sur ces structures.

Des spectres de réflectrométrie optique sont présentés en polarisation s et p (fig.2).

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Figure 2 : spectres de réflexion d'un échantillon (épaisseur d'or : 500 nm) à différents angles d'incidence de 20 à 80°, en polarisations s et p.

Le creux observé dans chaque spectre (situé entre 500 et 700 nm) est attribué à l'absorption de la lumière par création d'un mode plasmonique (respectivement mode plasmonique localisé pour la polarisation s et SPP propagatif pour la polarisation p). La réfléctivité en polarisation p descend presque à 0%, ce qui indique que la quasi-totalité de la lumière incidente est couplée au mode plasmonique SPP. La relation entre l'angle d'incidence et la longueur d'onde couplée au mode SPP est déterminée par la relation de dispersion du mode SPP. Les données expérimentales sont en accord raisonnable avec la relation de dispersion théorique, calculée à l'ordre zéro en la profondeur du relief, tant que celle-ci reste suffisamment faible.

Ces calculs montrent que l'absorption par les modes SPP se fait sur une large bande du spectre visible en raison de la juxtaposition de monodomaines ordonnés, d'orientation aléatoire.

Des travaux sont en cours dans l'équipe pour coupler ces structures plasmoniques à des nanocristaux colloïdaux, afin de mettre en évidence une modification de la dynamique et de la direction d'émission.

*Pour en savoir plus :

Hugo Frederich, Fangfang Wen, Julien Laverdant, Laurent Coolen, Catherine Schwob et Agnès Maître, Isotropic broadband absorption by a macroscopic self-organized plasmonic crystal,
Optics Express 19, 24424 (2011).

Collaborations :

Emmanuelle Lacaze (INSP) : caractérisation par microscopie à force atomique
Bruno Gallas (INSP) : caractérisation par ellipsométrie
Stéphane Chenot (INSP) : dépôt des surfaces d'or

Financements :

Ces travaux ont fait l'objet d'un financement du Centre de Compétences C'nano Ile-de-France en 2009 (projet NanoPlasmAA).

Ultra-cold Indirect Excitons

Elisabeth Martin — 2012-05-03T09:07:19Z

François Dubin

In this presentation, I will detail recent experimental studies addressing a possible Bose-Einstein condensation of semiconductor excitons. In particular, I will emphasize spatially indirect excitons which are engineered by spatially separating electrons and holes. On the first hand, I will discuss a situation for which indirect excitons are created by combined optical and electrical injection of electronic carriers. I will show that peculiar spatial patterns arise in this regime, and particularly macroscopic ring-shaped structures. Strikingly, exciton rings undergo a spatial fragmentation as temperature is lowered and at the same time a spin pattern is spontaneously established. The manifestation of the excitons quantum condensation in these experiments will then be discussed. On the other hand, I will show that one can exploit the large and well oriented electric dipole characteristic of indirect excitons in order to create exciton traps and even circuits. In particular, I will report an all-optical approach that allows us to program on-demand and in-situ the confinement landscape of indirect excitons. As shown by pioneering studies realized with atomic vapors, this degree of control offers a promising route to deterministically engineer collective quantum phenomena with ultra-cold indirect excitons.

Elastic Instability under Confinement

Elisabeth Martin — 2012-04-05T13:14:54Z

Manoj K. Chaudhury

When a rigid flat object or a flexible plate is removed from a thin soft film, instability patterns appear at the interface in the form of bubbles or fingers. The wavelength of the instability is mainly determined by the thickness of the soft film. They do not depend on the material properties of the films except when co-operative instability is involved. In contrast to the wavelength of the instability, its amplitude is strongly dependent on various material and geometric properties of the system. A critical confinement parameter can be defined on the basis of the various material and geometric properties below which no instability develops. We will discuss the roles of these instabilities in the context of pattern formation, adhesion and friction of thin confined films.

Tout est quantique ?!

Elisabeth Martin — 2012-05-14T14:55:06Z

Après le succès de la journée « Super, hyper, méga, supra » en 2011, le CNRS et le Musée des arts et métiers - Cnam vous proposent d'aborder sans complexe cette science élaborée pour expliquer des phénomènes inaccessibles à notre perception, à l'échelle de l'infiniment petit.

L'INSP et ses équipes de recherche participeront à des ateliers à travers des expérimentations illustrant leurs travaux.

Pour en savoir plus sur cet événement

Association Française de l'Adsorption (AFA 2012)

Elisabeth Martin — 2012-05-11T09:14:29Z

Premières Journées de l'AFA

Les premiéres réunions de l'Association Française de l'Adsorption auront lieu les

24 et 25 Mai2012
Jussieu, Bâtiment Esclangon Paris.

Le programme détaillé est accessible ici :

Pour en savoir plus : voir le site

Ecole de Simulation numérique : 12 ème édition

Elisabeth Martin — 2012-05-02T12:46:43Z

La 12 ème édition de l' ECOLE SIMULATION NUMERIQUE aura lieu les 4,5,6 et 7 juin 2012

Jussieu (Paris 5^e)

L'école propose une formation initiale comportant 4 demi-journées de cours et 3 demi-journées de TP allant des techniques Monte-Carlo et dynamique moléculaire aux calculs ab-initio.

L'école est gratuite. L'hébergement et le voyage restant à la charge des participants.

Inscription : Philippe Depondt

Pour plus d'informations, un programme détaillé, consultez notre site