Paris, 6 juin 2014

Effet Doppler : une déclinaison dans l'infiniment petit

Grâce à un dispositif expérimental unique au monde, une équipe de chercheurs du Laboratoire de Chimie physique - matière et rayonnement (UPMC/CNRS), de l'université Libre de Berlin en Allemagne, de l'université d'Uppsala en Suède et du synchrotron SOLEIL, vient de mettre en évidence au niveau microscopique l'importance d'un phénomène plus connu à l'échelle macroscopique, l'effet Doppler. Dans leurs travaux publiés dans Nature Communications, ils se sont pour cela intéressés à l'émission d'électrons de haute énergie par des atomes isolés.
Chacun d'entre nous l'a déjà remarqué : une ambulance qui s'approche, sirène hurlante, émet alors un son plus aigu que lorsqu'elle s'éloigne ; il s'agit du célèbre effet Doppler. Prenez n'importe quel objet en mouvement émettant une onde, ça fonctionne également ! Avec les ondes sonores mais aussi les ondes électromagnétiques, ce qui permet notamment de mesurer la vitesse d'une voiture avec un radar ou de calculer la distance à une étoile grâce à la couleur de la lumière qu'elle émet. 
Un tel phénomène est-il limité au monde macroscopique ?
Pour le savoir, encore faut-il avoir des outils permettant de le mesurer. C'est désormais chose faite grâce aux travaux de chercheurs du Laboratoire de Chimie physique - matière et rayonnement (UPMC/CNRS), de l'université Libre de Berlin en Allemagne, de l'université d'Uppsala en Suède et du synchrotron SOLEIL (ligne GALAXIES), sur le Plateau de Saclay.
En pratique, l'objet étudié est un atome. Les chercheurs ont choisi les atomes d'un gaz rare, le néon. Le    « jeu » consiste à envoyer sur l'atome un grain de lumière, ou photon, ayant une énergie bien précise, de façon à ce que l'atome absorbe le photon. C'est l'effet photoélectrique découvert par Einstein en 1905, qui a pour conséquence l'éjection d'un des électrons de l'atome. Cela provoque un mouvement de recul de l'atome, dans le sens opposé à celui de l'électron, comme un pistolet tirant une balle. Puis, suite à des réactions en cascade se produisant dans l'atome, un autre électron va à son tour être expulsé : on appelle « électrons Auger » ces électrons émis dans un second temps. Les électrons Auger sont donc émis par les atomes en mouvement. Or, à l'échelle atomique, les électrons se comportent comme une onde, c'est le principe bien connu de dualité onde-corpuscule, et ce sont eux qui sont à l'origine de l'effet Doppler microscopique mis en évidence dans cette étude.
Les scientifiques ont utilisé au synchrotron SOLEIL un nouvel analyseur qui mesure très finement l'énergie des électrons Auger émis dans une direction donnée. Mais ces électrons peuvent provenir d'atomes qui se déplacent soit vers le détecteur, soit dans la direction opposée. À cause de l'effet Doppler, les électrons vus par l'analyseur auront une énergie différente en fonction du mouvement des atomes. Avec un dispositif expérimental moins puissant, ces électrons ne pourraient pas être distingués. Les chercheurs ont ici pu observer l'effet Doppler sous la forme d'un élargissement graduel, puis d'un dédoublement du signal enregistré, au fur et à mesure que l'énergie des photons absorbés (des rayons X de haute énergie) et des électrons émis par les atomes de néon augmentait. La figure ci-dessous représente l'effet observé.

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RENCONTRE AUTOUR DE LA PHYSIQUE : A LA DÉCOUVERTE DE LA SUPRACONDUCTIVITÉ

UNE CONFERENCE « CENTENAIRE DE LA SUPRACONDUCTIVITE » par Dimitri RODITCHEV, Directeur de recherche, membre de l’Institut des NanoSciences de Paris, responsable de l’équipe « dispositifs quantiques contrôlés : nanofabrication propriétés électroniques et magnétiques »
100 ans après sa découverte, la supraconductivité continue à fasciner et donne plus en plus de fil à retordre aux scientifiques. Comment se fait-il que l’humanité, qui sait expliquer ce qui se passe à des millions d’années-lumière loin de la Terre, qui progresse à grand pas dans la compréhension du monde de l’infiniment petit, piétine depuis si longtemps devant l’énigme de la supraconductivité ?
Mais au fait, qu’est-ce que la supraconductivité ? 
Refroidis à des températures extrêmes, près du zéro absolu (-273,15 °C), certains matériaux conducteurs acquièrent de surprenantes propriétés, liées à la physique quantique : ils n’opposent plus aucune résistance au passage du courant électrique– ils deviennent supraconducteurs – et excluent tout champ magnétique à proximité.
Le travail de recherche fondamentale de l’équipe de Dimitri Roditchev à l’Institut des NanoSciences de Paris est au coeur du problème : les chercheurs étudient, à l’échelle nanométrique, les propriétés de supraconducteurs massifs et de leurs nanostructures.
Dimitri Roditchev nous racontera l’histoire des hommes et des découvertes autour de la supraconductivité, primordiales pour l’avancée de la physique moderne. 13 prix Nobel ont été décernés aux meilleurs physiciens et chimistes, pour les travaux liés directement à ce phénomène. 
Mais attention, la supraconductivité n’a pas fini d’étonner les scientifiques, elle est imprévisible ! 
Tous les jours Dimitri Roditchev met en place des expériences dans des conditions de plus en plus extrêmes d’ultra-vide, de très basse température, ou sous fort champ magnétique… afin de révéler des propriétés supraconductrices sur de nouveaux matériaux.

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Paris, 1er mars 2013

Des transistors à l'assaut de la troisième dimension

Les limites de miniaturisation des composants électroniques pourraient être plus éloignées que ce que l'on pensait. Une équipe du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS–CNRS, Toulouse) et de l'Institut d'électronique, de microélectronique et de nanotechnologie (CNRS/Université Lille1/Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambresis/Isen) viennent de construire un transistor de taille nanométrique au comportement exceptionnel pour un dispositif de cette dimension. Pour y parvenir, les chercheurs ont conçu une architecture originale en trois dimensions composée d'un réseau vertical de nanofils dont la conductivité est contrôlée par une grille de seulement 14 nm de longueur. Ces résultats, publiés dans la revue Nanoscale, ouvrent la voie à des alternatives aux structures planaires des microprocesseurs et des mémoires actuels. Ces transistors 3D permettraient ainsi d'accroître la puissance des dispositifs microélectroniques.
Les transistors, briques de base de la microélectronique, sont composés d'un élément semi-conducteur, dit canal, reliant deux bornes. Le passage du courant entre les bornes est contrôlé par une troisième borne appelée grille : c'est celle-ci qui, tel un interrupteur, détermine si le transistor est ouvert ou fermé.  Au cours des 50 dernières années, la taille des transistors n'a cessé de se réduire à un rythme constant et soutenu, permettant la montée en puissance des appareils microélectroniques. Cependant, il est admis qu'avec les architectures de transistors planaires actuelles, la miniaturisation est proche de sa limite. En effet, au-delà d'une taille minimale, le contrôle du canal des transistors par la grille est de moins en moins efficace : on observe notamment des fuites de courant qui perturbent les opérations logiques réalisées par ces ensembles de transistors. Voilà pourquoi les chercheurs du monde entier étudient des alternatives permettant de poursuivre la course à la miniaturisation.

Les chercheurs du LAAS et de l'IEMN ont, pour la première fois, construit un transistor nanométrique véritablement en 3D. Le dispositif est constitué d'un réseau serré de nanofils verticaux d'environ 200 nm de longueur reliant deux plans conducteurs. Une grille, constituée de chrome, entoure complètement chaque nanofil et contrôle le passage du courant. Ainsi, les chercheurs ont obtenu un niveau de commande transistor très élevé pour un dispositif de cette dimension. La longueur de la grille est de seulement 14 nm, contre 28 nm pour les transistors des puces actuelles. Néanmoins, sa capacité à contrôler le passage du courant dans le canal du transistor est compatible avec les besoins de la microélectronique actuelle.

Cette architecture pourrait permettre de construire des microprocesseurs constitués d'un empilement de transistors. L'on pourrait ainsi augmenter considérablement le nombre de transistors dans un espace donné, et, par conséquent, augmenter les performances des microprocesseurs ou la capacité des mémoires. Un autre atout important de ces composants est que leur fabrication est relativement simple et ne nécessite pas de procédés lithographiques1 de haute résolution.  De plus, ces transistors pourraient s'intégrer facilement aux éléments microélectroniques classiques utilisés actuellement par l'industrie.

Un brevet a été déposé pour ces transistors. Les scientifiques veulent à présent poursuivre leurs efforts en miniaturisant encore la taille de la grille. Celle-ci pourrait être inférieure à 10 nm tout en offrant encore un contrôle du transistor satisfaisant. De plus, ils veulent commencer à concevoir, de concert avec des industriels, les dispositifs électroniques futurs qui mettront à profit l'architecture 3D de ces transistors.

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FAIRE PARLER LA LUMIÈRE

L'Astronomie est une science d'observation. En conséquence l'instrumentation et la mesure, depuis la collecte de la lumière à l'analyse des signaux, sont très importants. C'est aussi une science théorique où la simulation numérique et la modélisation sont primordiales.
Faire parler la lumière montre comment les progrès de la science sur la nature de la lumière ont permis à l’astronome de comprendre la formation des raies spectrales.

Dans ce cours filmé, Chantal Balkowski astronome à l'Observatoire de Paris, décrit aussi comment l’analyse de ces raies spectrales permet de déterminer la composition, la température et la vitesse des objets observés pourtant hors de portée des astronomes.

C’est cette même analyse qui a permis de mettre en évidence l’expansion de l’univers.

Enfin la vidéo montre comment les développements technologiques des télescopes au sol et dans l’espace permettent aujourd’hui d’envisager l’étude des objets jusqu’aux confins de l’univers.”

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