Paris, 31 juillet 2006

Les circuits électroniques quantiques révèlent de nouveaux secrets
Une équipe mixte ENS/CNRS/CEA-Saclay du Laboratoire Pierre Aigrain a pour la première fois mis en évidence le comportement remarquable d'un circuit électronique lorsque sa miniaturisation est poussée à l'extrême. Ces résultats sont publiés dans la revue Science. Les chercheurs ont montré que les lois fondamentales de l'électricité, établies depuis 1845, ne peuvent plus décrire les propriétés d'un circuit électronique lorsque ses dimensions atteignent l'échelle nanométrique. Ces études confirment des prédictions théoriques de Markus Büttiker (université de Genève) énoncées il y a plus de dix années et jamais encore vérifiées.

Les lois de la physique macroscopique ordinaire ne rendent pas compte du comportement microscopique des électrons, régi par les lois de la mécanique quantique. Cette mécanique, depuis sa découverte il y a près de 100 ans, a révélé des comportements tout à fait étonnants s'écartant de notre compréhension intuitive des phénomènes. Due à la miniaturisation des circuits électroniques, la taille des composants devient si petite que la description physique des phénomènes en jeu en est affectée : les lois de la physique macroscopique ne sont plus applicables. Les effets quantiques seront incontournables dans les circuits de l'électronique de demain.
 
Les chercheurs ont étudié un circuit quantique composé de la mise en série de deux composants nanométriques, une résistance quantique R et une capacité quantique C. Pour fabriquer de tels nanocomposants, les chercheurs délimitent par nanolithographie une constriction (l'équivalent d'un fil ultra-mince) et un condensateur dont les dimensions sont réduites à quelques dizaines de nanomètres. Les propriétés du circuit résultant de l'association de deux composants obéissent habituellement aux lois d'additivité dites de Kirchoff. Les chercheurs ont montré que ce n'était plus vrai pour ce circuit quantique. Ils ont ainsi identifié deux propriétés particulièrement intéressantes :
 
1) Dans un circuit classique, l'impédance (effet combiné de la résistance et de la capacité) de deux composants en série est la somme des impédances de chacun. Or, les chercheurs ont mesuré sur leur circuit quantique une résistance équivalente en moyenne deux fois plus petite. Un tel circuit va donc pouvoir fonctionner deux fois plus vite que ce qu'on aurait pu attendre. C'est une bonne nouvelle !
 
2) De manière encore plus remarquable, pour un circuit classique R seul, la diminution du diamètre du fil conduit à l'augmentation de sa résistance. Dans le cas de ce circuit quantique, la résistance équivalente reste constante quelle que soit la constriction (et est bien plus faible que la nanorésistance mesurée seule).
 
Cette découverte est fondamentale dans la connaissance des effets de transport de charges électriques dans des nano-objets semi-conducteurs (transistors à nanotubes de carbone par exemple) qui seront à la base de l'électronique de demain et pour lesquels les formules d'association de circuits ne seront plus les mêmes. Cette découverte peut aussi jouer un rôle fondamental dans le domaine de l'électronique moléculaire, permettant de mieux comprendre l'équivalent électronique d'une molécule ou d'un circuit moléculaire via son circuit quantique équivalent.

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De l’agrégat moléculaire au métal massif
3 septembre 2013

Cristal , CINaM - UMR 7325 , transition de phase , nanoparticule , agrégat
Les nanoparticules de palladium contenant moins de 200 atomes se comportent comme de grosses molécules, tandis que celles qui contiennent plus de 200 atomes s’apparentent à de petits morceaux de métal massif.


Pour une nanoparticule métallique, comment s’effectue la transition entre une structure de type moléculaire, avec des niveaux d’énergie bien définis, et la structure du cristal massif, avec des bandes d’énergie continues  ? Jusqu’à présent, on savait que cette transition s’effectue pour des tailles de l’ordre de quelques centaines d’atomes, mais faute de pouvoir disposer de nanoparticules de taille bien précise à ces échelles, le passage d’un comportement à l’autre n’avait pas encore été observé. C’est maintenant chose faite grâce aux physiciens du Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille - CINaM (CNRS / Université Aix-Marseille). En faisant croître des agrégats de palladium sur un film d’alumine nanostructuré jouant le rôle d’un gabarit, ils ont obtenu des collections d’agrégats de dispersion de taille très étroite avec des tailles allant de 5 atomes à 4000 atomes (soit un diamètre de 6 nm). En utilisant comme sonde les propriétés chimiques de l’adsorption d’une molécule de monoxyde de carbone sur ces particules, les chercheurs ont observé un comportement moléculaire jusqu’à des tailles d’environ 150 atomes, puis, au-dessus de 200 atomes, le comportement devient qualitativement celui du métal massif et rejoint totalement celui des cristaux de grande taille à 4000 atomes. Ce travail publié dans la revue Nano Letters est la première expérience montrant le passage entre ces deux comportements pour le même type d’agrégats et pour une même propriété.
Pour cette expérience, les agrégats de palladium ont été synthétisés par croissance, sous ultravide, sur un film d’alumine ultramince obtenu par oxydation d’un plan cristallin bien particulier d’un monocristal de Ni3Al. Ce film présente un réseau régulier de défauts ponctuels distants de 4.1 nm sur lequel les agrégats nucléent et croissent de façon uniforme avec une distribution de taille très étroite en formant un réseau hexagonal régulier. Ce réseau est observé à l’échelle locale par microscopie par effet tunnel et à l’échelle macroscopique par des études de diffusion des rayons X aux petits angles à l’ESRF. L’énergie d’adsorption du monoxyde de carbone (CO) est obtenue à partir de la mesure du temps de séjour des molécules par une méthode d’adsorption-désorption transitoire d’impulsions de jet moléculaire de CO détectées par spectrométrie de masse. La courbe de l’énergie d’adsorption du CO en fonction de la taille des agrégats montre deux régimes. Pour les très petites tailles jusqu’à environ 150/200 atomes, l’énergie d’adsorption varie de façon discontinue avec le nombre d’atomes, cela correspond à un comportement de type moléculaire. Au-dessus de 200 atomes, l’énergie d’adsorption augmente de façon continue pour rejoindre la valeur d’un cristal massif pour un diamètre de 6 nm (environ 4000 atomes). Il s’agit de la première expérience montrant le passage entre ces deux comportements pour le même type d’agrégats et pour une même propriété. Ce travail montre que pour les nanoparticules dont la taille est de quelques dizaines d’atomes, la fiabilité des mesures de taille par microscopie à effet tunnel peut être problématique car elle dépend de la structure électronique des particules qui ne varie pas de manière régulière dans ce domaine de taille.

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Comprendre le mouvement humain améliore le comportement des robots humanoïdes
 
« Aller chercher un objet » : cette tâche en apparence très simple est au cœur des travaux développés au Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes (LAAS) sur le robot humanoïde HRP2. Elle nécessite de se déplacer puis de saisir.
L’application des techniques classiques de robotique peut conduire à des postures pour le moins étranges (figure 1).
L’étude du comportement humain dans des situations similaires permet d’analyser les lois que tout le monde suit dans un même contexte, c’est-à-dire les invariants d’une action. Ces études suivent une méthodologie d’analyse du mouvement humain issue des neurosciences (figure 2).
Ces modèles sont intégrés aux algorithmes de planification de mouvement. Ils permettent de calculer des postures beaucoup plus naturelles et acceptables (figure 3).
Ces travaux primés à la conférence IEEE BioRob à Tokyo en 2010 sont représentatifs des approches pluridisciplinaires conduites en robotique et s’inspirant des neurosciences.

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CASSEURS D'ATOMES : UN PAS DE PLUS VERS LE BIG BANG

Les Casseurs d'atomes, plus communément appelés Accélérateurs, sont les outils de tous les jours de nombreux physiciens des particules qui sondent la matière infiniment petite. Il y a de ça un peu plus d'un siècle, en 1894, Albert Michelson - qui étudia le comportement de la lumière - n'aurait jamais imaginé se retrouver devant un monde incroyablement plus complexe qu'il l'aurait cru lorsqu'il déclara que tout ce qu'il restait à faire en physique était de déterminer jusqu'à la sixième décimale les valeurs connues en ce temps là. Il ne se doutait pas que la structure entière de la physique serait complètement révolutionnée dans les 20 années qui allaient suivre. Les premiers accélérateurs sont apparus au début du 20e siècle et ce qui fut dévoilé au fil des années a permis de construire un modèle théorique cohérent, le Modèle Standard (MS). Les particules prédites par ce modèle furent presque toutes observées, les prédictions sur leur comportement furent testées, mais effectivement le plus important manquait et manque toujours. Le boson de Higgs, auquel est associé le champs de Higgs qui permet à toutes les particules d'acquérir une masse, reste encore aujourd'hui inobservé. Les expériences du futur nous permettront de vérifier si cette particule existe vraiment, et si d'autres modèles théoriques au-delà du MS sont viables i.e. la Super Symétrie, l'existence de dimensions supplémentaires. Il faut toutefois garder les pieds sur terre, ou peut-être pas, car la physique des particules aux accélérateurs, résumé sur l'échelle universelle du temps depuis le Big Bang jusqu' aujourd'hui, ne correspond qu'à un tout petit pas. Le terrain à défricher reste encore énorme, et les Casseurs d'atomes joueront un rôle clef dans la compréhension de cet Univers de l'infiniment petit. Je tenterai donc, dans cette présentation, de faire un survol historique de la théorie, des accélérateurs, des découvertes et de parler du futur de la physique aux accélérateurs.

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