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WEB Nano Saclay

Faits marquants 2017

13 octobre 2017

Les matériaux antiferromagnétiques commencent à focaliser l’attention des physiciens qui voient en eux l’espoir de dépasser toutes les limites auxquelles sont confrontés les dispositifs à bases de ferromagnétiques, en étant potentiellement plus rapides, plus denses, plus robustes, et moins énergivores. Ce potentiel est aujourd’hui quasiment inexploité car la connaissance de leurs propriétés microscopiques exige des techniques des caractérisations lourdes, par exemple basées sur les neutrons produits par des réacteurs nucléaires ou sur des sources de rayonnement synchrotron. La disponibilité de nouvelles techniques de microscopie pour ces matériaux antiferromagnétiques permettrait de déverrouiller la compréhension de leurs propriétés physiques.

Une nouvelle méthode de microscopie magnétique, particulièrement adaptée pour imager les antiferromagnétiques, exploite les propriétés de photoluminescence d’un atome artificiel individuel (défaut ponctuel appelé centre NV) implanté au sein d’une pointe en diamant et intégré dans un microscope à force atomique. L’extrême sensibilité de cette sonde au champ magnétique a été mise en œuvre pour cartographier les propriétés locales d’un antiferromagnétique avec une résolution de quelques dizaines de nanomètres. Une équipe de chercheurs associant le laboratoire Charles Coulomb de Montpellier, l’Université de Bâle et cinq laboratoires du Labex Nanosaclay (l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, le CEA/SPEC, le Laboratoire Aimé Cotton, le synchrotron SOLEIL, le C2N) a ainsi pu imager les propriétés du BiFeO3 : les images révèlent les domaines antiferromagnétiques et la modulation sinusoïdale des spins dans ces derniers. Le  BiFeO3, est un composé prometteur car il présente également un ordre électrique (il est ferroélectrique), le couplage entre les ordres électrique et magnétique a permis de contrôler à l’échelle microscopique la direction des spins par application d’une tension de quelques volts. Ces travaux constituent une preuve de concept pour de futurs composants commutables sur la base des matériaux antiferromagnétiques.

Reference: Real-space imaging of non-collinear antiferromagnetic order with a single-spin magnetometer
I. Gross, W. Akhtar, V. Garcia, L. J. Martínez, S. Chouaieb, K. Garcia, C. Carrétéro, A. Barthélémy, P. Appel, P. Maletinsky, J.-V. Kim, J. Y. Chauleau, N. Jaouen, M. Viret, M. Bibes, S. Fusil & V. Jacques

Nature 549, 252-256 (2017)

Contacts: Stéphane Fusil ou Vincent Garcia, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Palaiseau

Collaborations:

03 février 2017

Les textures de spin non-colinéaires telles que les skyrmions suscitent actuellement un grand intérêt tant fondamental (lié à l’influence de la topologie du réseau de spin sur les propriétés électroniques) qu’appliqué (pour le stockage d’information). Le matériau multiferroïque BiFeO3 possède naturellement un ordre de spin non colinéaire, qui de plus est contrôlable électriquement.

Dans BiFeO3, les spins s’ordonnent selon une cycloïde de 62 nm de période. Nous avons montré que lorsque BiFeO3 est élaboré en couches minces, les contraintes induites par le substrat et/ou l’application d’un champ magnétique allongent cette période voire détruisent l’ordre cycloïdal. En combinant plusieurs stimuli (contrainte, champ magnétique ou même champ électrique), il apparaît donc possible de stabiliser diverses textures de spin non-colinéaires, ce qui présente un fort potentiel pour la spintronique ou la magnonique.

Référence : Strain and Magnetic Field Induced Spin-Structure Transitions in Multiferroic BiFeO3

A. Agbelele, D. Sando, C. Toulouse, C. Paillard, R. D. Johnson, R. Rüffer, A. F. Popkov, C. Carrétéro, P. Rovillain, J.-M. Le Breton, B. Dkhil, M. Cazayous, Y. Gallais, M.-A. Méasson, A. Sacuto, P. Manuel, A. K. Zvezdin, A. Barthélémy, J. Juraszek, and M. Bibes. Advanced Materials, 2017, 1602327

Contact NanoSaclay: Manuel Bibes, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Palaiseau

Collaborations:

11 décembre 2017

La génération et la manipulation des peignes de fréquence est désormais possible en photonique intégrée. Cependant, la miniaturisation des cavités, désirable pour profiter d'une plus forte interaction lumière-matière, se heurte à la difficulté de maintenir l'alignement spectral des résonances. Pour cette raison, on n'utilise que les modes d'ordre élevé des résonateurs à symétrie cylindrique (anneaux, tores) dont la taille est par ailleurs imposée par l’intervalle spectral libre choisi.

On démontre ici un peigne de résonances à partir du mode fondamental dans un résonateur ultra-compact à modes stationnaires.  Il est réalisé à partir d'un cristal photonique, créant un potentiel effectif parabolique pour les photons; par conséquent, les résonances sont équi-espacées, à l'instar du modèle quantique d'un oscillateur, et les enveloppes des modes de Bloch sont décrits par les fonctions de Hermite-Gauss. Une analyse statistique sur 68 cavités et environ 300 modes conduit à une estimation du facteur de qualité intrinsèque autour de 1 million, dont la distribution est log-normale. L'écart par rapport à un peigne idéal suit une loi normale et il est donc associé aux erreurs de fabrication. Cet écart est suffisamment petit pour être compensé par des techniques de contrôle thermique. Le seuil calculé pour l'oscillation paramétrique se situe en dessous de 100 microW.

Référence: Comb of high-Q Resonances in a Compact Photonic Cavity

S. Combrié, G. Lehoucq, G. Moille, A. Martin, and A. De Rossi
Laser Photonics Review 2017, 1700099

Contact NanoSaclay: Alfredo De Rossi, Thales Research and Technology

22 novembre 2017

Le contrôle à l'échelle nano de l'arrangement moléculaire de fluorophores organiques optiquement actifs sur une couche de métal ouvre la voie à des nanosources de lumière plus efficientes et faciles à fabriquer. Il permet aussi d'envisager de compenser les pertes de propagation de la lumière dans des guides plasmoniques.

Dans cet article, issu d'une collaboration entre deux équipes du C2N/Marcoussis et du CEA/Saclay, nous démontrons expérimentalement comment la maîtrise de l'auto-organisation de molécules organiques permet de maximiser l'interaction électromagnétique entre ces dernières et un mode plasmonique. Il en résulte un milieu actif ultra-dense constitué de fluorophores couplés, dont le contrôle de l'interaction à l'échelle nano avec le mode de plasmon de polaritons est mis en évidence, d'une part par l'observation du régime de couplage fort en absorption, et d'autre part, par l’émission des molécules couplée principalement aux modes de plasmons guidés en surface.

Référence: Strong Coupling between Self-Assembled Molecules and Surface Plasmon Polaritons
J. Bigeon, S. Le Liepvre, S. Vassant, N. Belabas, N. Bardou, C. Minot, A. Yacomotti, A. Levenson, F. Charra, and S. Barbay

The Journal of Physical Chemistry Letters 2017, 8 (22), pp 5626–5632

Contact NanoSaclay: Sylvain Barbay, C2N

Collaboration: CEA SPEC, Saclay

27 septembre 2017

Depuis quelques années, les physiciens revisitent les expériences fondatrices de l’optique quantique en substituant aux photons d’autres particules aux comportements similaires. Les plasmons de surface, issus du couplage de la lumière avec les électrons libres à la surface d’un métal, sont intéressants à ce titre car ils permettent d’envisager la conception de circuits et de composants dédiés au calcul quantique à des échelles sub-longueurs d’onde. Des physiciens ont récemment reproduit une version plasmonique originale de l’expérience de Hong, Ou et Mandel, une des briques élémentaires des futurs dispositifs dédiés à l’information quantique. Cette expérience, qui illustre habituellement le phénomène de coalescence de particules identiques, montre ici un comportement d’anti-coalescence des plasmons de surface lorsque les paramètres de la séparatrice utilisée sont modifiés.

L’expérience réalisée repose sur un composant nanostructuré: une séparatrice plasmonique gravée dans de l’or et sur laquelle viennent se recombiner – et interférer – deux plasmons de surface uniques. L’or est un matériau à pertes, susceptible d’absorber les plasmons de surface et donc de modifier les interférences quantiques recherchées. Il a en particulier été théoriquement démontré que la présence de pertes rendait possible une modification de l’effet de coalescence de particules, là où des expériences réalisées dans des milieux sans perte n’en sont pas capables. Ainsi, à l’aide de deux composants au dimensionnement différent, deux phénomènes ont été observés: un effet de coalescence de plasmons, analogue à celui de l’optique quantique, puis son total opposé, un phénomène d’anticoalescence, suite auquel les plasmons de surface émergent préférentiellement séparément sur les deux voies de sortie de la séparatrice. Ce travail souligne la complémentarité des approches de la plasmonique quantique et de l’optique quantique dans la perspective de développer des systèmes hybrides dédiés à l’information quantique.

Référence: Anti-coalescence of bosons on a lossy beam splitter

B. Vest, M.-C. Dheur, É. Devaux, A. Baron, E. Rousseau, J.-P. Hugonin, J.-J. Greffet, G. Messin, F. Marquier
Science 356, 1373–1376 (2017)

Contact NanoSaclay: François Marquier, Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique, Palaiseau

Collaborations:
•    Institut de Science et d’Ingénierie Supramoléculaire, Université de Strasbourg
•    Centre de Recherche Paul Pascal, Pessac
•    Laboratoire Charles Coulomb, UMR CNRS-UM 5221, Université de Montpellier

01 juin 2017

Dans un article publié dans la revue Nature Communications, l’équipe de Patrick Couvreur à l’Institut Galien a découvert qu’il était possible d’exploiter les lipoprotéines (LDL, HDL) de la circulation générale pour la vectorisation indirecte de médicaments, à condition que ceux-ci soient équipés d’un groupement chimique ayant une forte affinité pour les LDL.

La preuve de concept de cette approche a été démontrée par le couplage chimique de différentes molécules pharmacologiquement actives au squalène, un lipide naturel et biocompatible, qui entraîne l’auto-assemblage des bioconjugués ainsi obtenus sous forme de nanoparticules. En utilisant comme modèle des nanoparticules de squalène couplé à la gemcitabine (un anticancéreux majeur), il a été montré, in vitro sur sang complet humain et in vivo chez l’animal, que les bioconjugués de gemcitabine-squalène étaient rapidement captés par les lipoprotéines circulantes (LDL chez l’homme et HDL chez le rongeur) après désagrégation des nanoparticules dans la circulation générale. L’interaction entre les nanoparticules squalénées et les LDL peut être imaginée comme un processus dynamique qui implique l’adsorption des petites particules de LDL (22 nm) à la surface des nanoparticules (120 nm) dès qu’elles entrent en contact les unes avec les autres, comme cela a été montré en microscopie électronique à transmission. Cette interaction a également été confirmée à l’échelle moléculaire par des méthodes calorimétriques d’interaction (ITC) ainsi que par de la modélisation moléculaire. Ces résultats expliquent la pharmacocinétique prolongée de la gemcitabine-squalène après administration intraveineuse, contrairement à la gemcitabine libre, qui n’interagissant pas avec les lipoprotéines plasmatiques, a une clairance plasmatique très rapide.

Comme la capture des LDL est fortement augmentée dans les cellules néoplasiques en division, l’approche suivie peut avoir des implications importantes pour le traitement du cancer. En provoquant l’insertion de médicaments in situ, directement dans les LDL circulants, la stratégie de “squalénisation” a pu résoudre ce problème et proposer le nouveau concept de “vectorisation indirecte” de médicaments.

Référence: Conjugation of squalene to gemcitabine as unique approach exploiting endogenous lipoproteins for drug delivery

Sobot D, Mura S, Yesylevsky S, Dalbin L, Cayre F, Bort G, Mougin J, Desmaele D, Lepetre-Mouelhi S, Pieters G, Andreiuk B, Klymchenko A, Paul J-L, Ramseyer C, Couvreur P

Nature Communications 8, 15678 (2017)

Contact NanoSaclay: Patrick Couvreur

Collaborations:

 

 

13 octobre 2017

La supraconductivité peut être induite dans un matériau non supraconducteur par la « fuite » de paires d’électrons supraconducteurs venant d’un supraconducteur adjacent. C’est l’effet de proximité. Si le matériau normal est du graphène, sa structure électronique très particulière influence fortement cet effet. Par exemple, on peut observer des formes exotiques du mécanisme de fuite des paires (la réflexion d’Andreev). Au-delà de l’intérêt fondamental, il en découle un potentiel technologique : la possibilité de moduler un super-courant (à travers du graphène) à l’aide d’une tension de grille, une sorte d’effet « transistor supraconducteur ».

En dépit de l’attrait des supraconducteurs à haute température critique dans ce contexte, les réalisations expérimentales ont été exclusivement faites avec des supraconducteurs à basse température critique. Les travaux réalisés à l’Unité Mixte de Physique démontrent l’effet de proximité entre un supraconducteur à haute température critique et du graphène. Dans ces expériences, les effets de la grille électrostatique sont dus à la transmission parfaite des paires supraconductrices à travers une barrière d’énergie (effet tunnel de Klein) qui est modulée par des interférences quantiques contrôlées par le dopage du graphène. Il est remarquable que ce type d’interférences domine le transport même sans l’utilisation d’un graphène extrêmement propre, contrairement au cas des supraconducteurs à basse température critique. Ces résultats ouvrent la voie d’une nouvelle famille de dispositifs de type Josephson modulables par une grille électrostatique à haute température critique, et reposant sur l’utilisation de graphène grande échelle.

Ces travaux ont récemment été publiés dans Nature Physics (Reference: Tunable Klein-like tunnelling of high-temperature superconducting pairs into graphene)

Contact: Javier E. Villegas, Unité Mixte de Physique CNRS-THALES

Collaboration: Department of Engineering, University of Cambridge, UK

15 mai 2017

S’inspirer du fonctionnement du cerveau pour concevoir des machines de plus en plus intelligentes, telle est l’idée du biomimétisme. Le principe est déjà à l’œuvre en informatique via des algorithmes pour la réalisation de certaines tâches comme la reconnaissance d’image. C’est ce qu’utilise Facebook pour identifier des photos par exemple. Mais le procédé est très gourmand en énergie.

Des chercheurs de l’Unité mixte de physique CNRS/Thales et leurs collaborateurs viennent de franchir une nouvelle étape dans ce domaine en créant directement sur une puce électronique une synapse artificielle capable d’apprentissage. Ils ont également développé un modèle physique permettant d’expliciter cette capacité d’apprentissage. Cette découverte ouvre la voie à la création d’un réseau de synapses, circuit plus complexe, et donc à des systèmes intelligents moins dépensiers en temps et en énergie.

Référence : Learning through ferroelectric domain dynamics in solid-state synapses.

Sören Boyn, Julie Grollier, Gwendal Lecerf, Bin Xu, Nicolas Locatelli, Stéphane Fusil, Stéphanie Girod, Cécile Carrétéro, Karin Garcia, Stéphane Xavier, Jean Tomas, Laurent Bellaiche, Manuel Bibes, Agnès Barthélémy, Sylvain Saïghi, Vincent Garcia.

Nature communications 8, 14736 (2017)

Contact NanoSaclay: Vincent Garcia, Unité Mixte de Physique CNRS/Thales, Palaiseau

Collaborations:

 

22 novembre 2017

Le contrôle à l'échelle nano de l'arrangement moléculaire de fluorophores organiques optiquement actifs sur une couche de métal ouvre la voie à des nanosources de lumière plus efficientes et faciles à fabriquer. Il permet aussi d'envisager de compenser les pertes de propagation de la lumière dans des guides plasmoniques.

Dans cet article, issu d'une collaboration entre deux équipes du C2N/Marcoussis et du CEA/Saclay, nous démontrons expérimentalement comment la maîtrise de l'auto-organisation de molécules organiques permet de maximiser l'interaction électromagnétique entre ces dernières et un mode plasmonique. Il en résulte un milieu actif ultra-dense constitué de fluorophores couplés, dont le contrôle de l'interaction à l'échelle nano avec le mode de plasmon de polaritons est mis en évidence, d'une part par l'observation du régime de couplage fort en absorption, et d'autre part, par l’émission des molécules couplée principalement aux modes de plasmons guidés en surface.

Référence: Strong Coupling between Self-Assembled Molecules and Surface Plasmon Polaritons
J. Bigeon, S. Le Liepvre, S. Vassant, N. Belabas, N. Bardou, C. Minot, A. Yacomotti, A. Levenson, F. Charra, and S. Barbay

The Journal of Physical Chemistry Letters 2017, 8 (22), pp 5626–5632

Contact NanoSaclay: Sylvain Barbay, C2N

Collaboration: CEA SPEC, Saclay

 

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