Paris, 7 juillet 2010
Quelle est la taille du proton ?

Le proton, l'un des constituants fondamentaux de la matière, serait plus petit que ce que l'on pensait jusqu'à présent. Tel est le résultat établi de manière expérimentale par une collaboration internationale de physiciens, à laquelle participe le Laboratoire Kastler Brossel (ENS Paris / UPMC / CNRS). Obtenue avec une extrême précision, cette nouvelle mesure du rayon du proton pourrait remettre en cause certaines prédictions de l'électrodynamique quantique, l'une des théories fondamentales de la physique quantique, ou bien la valeur de la constante de Rydberg (constante physique la plus précise à ce jour). Publiés le 8 juillet dans Nature, ces travaux feront la couverture de la revue.
Les noyaux des atomes sont constitués de protons et de neutrons. Autour de ces noyaux, gravitent les électrons. Ces trois éléments (protons, neutrons et électrons) constituent pratiquement toute la matière terrestre. Alors que l'électron est considéré comme une particule « sans taille », le proton, qui est constitué de quarks, est un objet étendu. Jusqu'à présent, seules deux méthodes avaient permis de mesurer son rayon. Basées sur l'étude des interactions entre un proton et un électron, elles s'intéressent soit aux collisions entre un électron et un proton, soit à l'atome d'hydrogène (atome constitué d'un électron et d'un proton). La valeur ainsi obtenue, celle utilisée par les physiciens, est de 0,877 femtomètre (1) (à +/- 0,007).

Pour déterminer plus précisément le rayon des protons, les physiciens ont utilisé de «l'hydrogène muonique » au sein duquel l'électron est remplacé par un muon, une particule élémentaire chargée négativement. « Cette idée remonte aux années 70 », précise François Nez, chercheur CNRS au Laboratoire Kastler Brossel (LKB). « Toutefois, il fallait que les techniques évoluent pour qu'elle soit réalisable ». L'atome d'hydrogène, qui est le plus simple existant, a souvent été le meilleur objet pour étudier des questions fondamentales en physique. Mais, pourquoi remplacer l'électron par un muon ? Chargé négativement (2), ce dernier est 200 fois plus lourd que l'électron. Il doit donc, selon les lois de la physique quantique, évoluer 200 fois plus près du proton que ne le fait l'électron dans l'hydrogène «normal ». Le muon est « beaucoup plus sensible » à la taille du proton qu'un électron. Ainsi, son énergie de liaison à l'atome dépend fortement de la taille du proton. La mesure de cette énergie permet aux scientifiques de déterminer le rayon du proton d'une manière nettement plus précise (0,1 % de précision) qu'à partir des mesures utilisant des électrons (environ 1 % de précision).

Pour cela, un laser infra-rouge a été spécialement conçu. Les six chercheurs du LKB, appartenant au CNRS et à l'UPMC, ont tout particulièrement apporté leur expertise dans sa fabrication, essentiellement pour la partie « titane-saphir » de la chaîne laser. L'objectif a été de concevoir un laser dont la longueur d'onde d'émission  (c'est-à-dire la couleur de la lumière laser) peut être réglée à volonté. Comme un muon se désintègre en 2 millionièmes de secondes, il faut pendant ce laps de temps très court pouvoir réaliser la mesure sur l'hydrogène muonique. Le tir laser doit donc pouvoir être déclenché très rapidement (dans un temps d'environ 1 millionième de seconde). Une première campagne de mesures fin 2002 a permis de valider ce dispositif expérimental mis au point par le LKB qui a également été chargé de mesurer la longueur d'onde d'émission du système laser complet. Il s'agit de cibler, les unes après les autres, les différentes longueurs d'onde absorbées par l'hydrogène muonique, ce qui permet d'en déduire l'énergie du muon autour du proton et donc la taille du proton.

Une divergence inattendue
Après plusieurs séries de mesures menées à l'accélérateur de l'Institut Paul Scherrer PSI en Suisse, où le faisceau de muons est particulièrement intense (3), les chercheurs ont obtenu une valeur inattendue pour le rayon du proton. En effet, ce résultat diffère de celui obtenu en utilisant des électrons. Il est de 0,8418 femtomètre (à +/- 0,0007), au lieu de 0,877 femtomètre pour les mesures utilisant des électrons. « Nous n'avions pas envisagé qu'il puisse y avoir des divergences entre les valeurs connues et nos mesures », précise Paul Indelicato, directeur du LKB. Cette différence est beaucoup trop importante pour qu'on puisse l'imputer à des imprécisions dans les mesures. Les scientifiques sont en train d'essayer d'expliquer cet écart. Il pourrait remettre en cause la théorie la plus précisément testée de la physique à savoir la théorie de l'électrodynamique quantique qui est l'une des clés de voûte de la physique actuelle. Autre possibilité, la valeur actuelle de la constante de Rydberg, aujourd'hui la constante physique déterminée avec le plus de précision, pourrait être révisée. Les chercheurs envisagent de reproduire prochainement cette expérience avec de l'hélium muonique (à la place de l'hydrogène). Un nouvel éclairage sur ces résultats pourrait en découler.

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Paris, 4 mars 2011

Une percée dans la conception de moteurs moléculaires
Des chercheurs du CNRS et de l'Université de Bordeaux, en collaboration avec une équipe chinoise (1), ont réalisé le premier piston moléculaire capable de s'auto-assembler. Ces recherches représentent une avancée technologique significative dans la conception de moteurs moléculaires. Un tel piston pourrait, par exemple, servir à fabriquer des muscles artificiels ou à créer des polymères à la rigidité contrôlable. Ces résultats sont publiés le 4 mars 2011 dans la revue Science.
Les organismes vivants ont largement recours à des moteurs moléculaires pour remplir certaines de leurs fonctions vitales comme stocker l'énergie, permettre le transport cellulaire ou même se propulser dans le cas des bactéries. Les agencements moléculaires de ces moteurs étant extrêmement complexes, les scientifiques cherchent à créer leurs propres versions, plus simples. Le moteur développé par l'équipe internationale emmenée par Ivan Huc (2), chercheur CNRS au sein de l'Unité « Chimie et biologie des membranes et des nanoobjets » (CNRS/Université de Bordeaux), est un « piston moléculaire ». Comme un véritable piston, il est constitué d'un axe sur lequel glisse une pièce mobile, à la différence près que l'axe et la pièce ne mesurent que quelques nanomètres de long.

Plus précisément, l'axe est formé d'une molécule longiligne, tandis que la pièce mobile est une molécule en forme d'hélice (toutes deux sont des dérivés de molécules organiques spécialement synthétisés pour l'occasion). Comment le mouvement de la molécule hélicoïdale est-il possible le long de l'axe ? C'est l'acidité du milieu dans lequel baigne le moteur moléculaire qui contrôle l'avancée de l'hélice sur l'axe : en augmentant l'acidité, on pousse l'hélice vers une extrémité de l'axe, car elle possède alors une affinité pour cette portion de la molécule filiforme ; en réduisant l'acidité, on inverse le processus et l'hélice fait machine arrière.

Ce dispositif offre un avantage essentiel par rapport aux pistons moléculaires déjà existants : l'auto-assemblage. Dans les versions précédentes, qui prennent la forme d'un anneau glissant sur une tige, la pièce mobile passe mécaniquement à travers l'axe avec une extrême difficulté. A l'inverse, le nouveau piston se construit tout seul : les chercheurs ont conçu la molécule hélicoïdale spécifiquement pour qu'elle vienne s'enrouler spontanément autour de l'axe, tout en conservant une certaine liberté de mouvement ensuite pour ses déplacements latéraux.

En permettant une fabrication à grande échelle du piston moléculaire, cette faculté d'auto-assemblage laisse espérer voir fleurir rapidement des applications. Les domaines concernés sont variés : biophysique, électronique, chimie... En greffant bout à bout plusieurs pistons, on pourrait, par exemple, réaliser une version simplifiée d'un muscle artificiel, capable de se contracter sur commande. Une surface hérissée de pistons moléculaires deviendrait, à loisir, un conducteur ou un isolant électrique. Dernière idée : on peut imaginer une version grand format de l'axe sur lequel glisseraient plusieurs hélices, ce qui fournirait un polymère à la rigidité mécanique ajustable. On le voit, les possibilités de ce nouveau piston moléculaire sont (presque) infinies.

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Paris, 12 janvier 2011

Microélectronique : un gaz d'électrons à la surface d'un isolant ouvre la voie du transistor multi-fonctions
Des chercheurs du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11 (1) ont découvert comment créer une couche conductrice à la surface d'un matériau isolant et transparent très étudié pour la microélectronique du futur, le titanate de strontium (SrTiO3). Cette couche conductrice de deux nanomètres d'épaisseur est un gaz d'électrons métallique bidimensionnel qui fait partie du matériau. Facilement réalisable, elle ouvre des perspectives pour l'électronique à base d'oxydes de métaux de transition (la famille de SrTiO3), qui cherche à profiter de l'énorme variété des propriétés physiques de ces matériaux (supraconductivité, magnétisme, thermoélectricité, etc.) pour intégrer plusieurs fonctionnalités différentes dans un même dispositif microélectronique. Cette découverte inattendue, mise en évidence au synchrotron SOLEIL, est publiée dans la revue Nature du 13 janvier 2011.
Aujourd'hui, les composants microélectroniques sont fabriqués à base de couches de semi-conducteurs déposées sur un substrat de silicium. Afin de poursuivre l'accroissement périodique des performances des composés microélectroniques au-delà de 2020, des solutions technologiques alternatives sont à l'étude. Les chercheurs travaillent de plus en plus sur les oxydes de métaux de transition (2), qui présentent des propriétés physiques intéressantes comme la supraconductivité (3), la magnétorésistance (4), la thermoélectricité (5), la multi-ferroïcité (6), ou encore la capacité photo catalytique (7).

Parmi les oxydes des métaux de transition, le titanate de strontium (SrTiO3) est très étudié. C'est un isolant, mais il devient bon conducteur en le dopant (en créant quelques lacunes d'oxygène par exemple). Les interfaces entre le SrTiO3 et d'autres oxydes (LaTiO3 ou LaAlO3) sont conductrices, même si les deux matériaux sont isolants. En plus, elles présentent de la supraconductivité, de la magnétorésistance, ou de la thermoélectricité avec de très bons rendements à température ambiante. Seulement voilà : les interfaces entre oxydes sont très difficiles à réaliser.

Une découverte inattendue vient de faire sauter ce verrou technologique. Une équipe internationale pilotée par des scientifiques du CNRS et de l'Université Paris-Sud 11 vient de réaliser un gaz d'électrons métallique bidimensionnel à la surface de SrTiO3. Il s'agit d'une couche conductrice de deux nanomètres d'épaisseur environ, obtenue en cassant un morceau de titanate de strontium sous vide. Ce procédé, très simple, est peu coûteux. Les éléments qui constituent SrTiO3 sont disponibles en grande quantité dans les ressources naturelles et c'est un matériau non toxique, contrairement aux matériaux les plus utilisés aujourd'hui en microélectronique (les tellurures de bismuth). En outre, des gaz d'électrons métalliques bidimensionnels pourraient probablement être créés de façon similaire à la surface d'autres oxydes de métaux de transition.

La découverte d'une telle couche conductrice (sans avoir à rajouter une couche d'un autre matériau) est un grand pas en avant pour la microélectronique à base d'oxydes. Elle pourrait permettre de combiner les propriétés intrinsèques multifonctionnelles des oxydes de métaux de transition avec celles du métal bidimensionnel à sa surface. On peut songer, par exemple, au couplage d'un oxyde ferro-électrique avec le gaz d'électrons à sa surface, pour faire des mémoires non volatiles, ou à la fabrication de circuits transparents sur la surface des cellules solaires ou des écrans tactiles.

Les expériences de photoémission résolue en angle (ARPES) qui ont servi à mettre en évidence le gaz d'électron métallique bidimensionnel ont été réalisées d'une part au synchrotron SOLEIL (Saint-Aubin, France), et au Synchrotron Radiation Center (Université du Wisconsin, USA).

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Paris, 23 novembre 2012

Un événement de l'histoire du champ magnétique terrestre révélé par l'action du rayonnement cosmique
Il y a 41 000 ans, le champ magnétique de la Terre s'est estompé jusqu'à pratiquement disparaître, laissant notre planète sans protection face au bombardement de particules cosmiques. Des traces de cet événement ont été retrouvées dans des carottes de sédiments océaniques par une équipe du Centre de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement (CEREGE, CNRS/Aix-Marseille Université/IRD/Collège de France). Dans ces carottes, les chercheurs ont mesuré des variations dans la concentration de Béryllium 10, un isotope radioactif produit par l'action des particules cosmiques sur les atomes d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère. Ces travaux, publiés dans le Journal of Geophysical Research, sont un pas important vers la mise au point d'une nouvelle méthode pour étudier l'histoire du champ magnétique terrestre, qui permettra de mieux comprendre sa baisse d'intensité en cours depuis trois millénaires.
Le champ magnétique terrestre forme un efficace bouclier déviant les particules chargées d'origine cosmique qui se dirigent vers nous. Loin d'être constant, celui-ci a connu de nombreuses inversions, le Nord magnétique se retrouvant au pôle Sud géographique. Ces inversions sont toujours accompagnées d'une annulation du champ magnétique. La dernière est survenue il y a 780 000 ans. Le champ magnétique peut aussi connaître des excursions, des périodes où il s'effondre comme s'il allait s'inverser, avant de retrouver sa polarité normale. Le dernier de ces événements, appelé excursion de Laschamp, date d'il y a 41 000 ans.

Ce sont des traces de cet événement que les chercheurs ont retrouvé dans des carottes de sédiments récoltées au large du Portugal et de la Papouasie-Nouvelle Guinée. Dans ces échantillons, ils ont retrouvé des excès de Béryllium 10, un élément produit exclusivement lors de la collision entre particules d'origine cosmique et atomes d'azote ou d'oxygène. Le Beryllium 10 (10Be) produit dans l'atmosphère retombe ensuite à la surface de la Terre où il s'incorpore aux glaces et aux sédiments. Dans les couches correspondant à l'excursion de Laschamp, les chercheurs ont retrouvé jusqu'à deux fois plus de 10Be que le taux normal, témoignant de l'intense bombardement de particules cosmiques qu'a subi la Terre durant plusieurs millénaires.

Classiquement, l'étude de l'histoire du champ magnétique se fait grâce à la présence dans les laves volcaniques, les sédiments ou les poteries antiques de certains oxydes de fer, notamment la magnétite, qui indiquent la direction et l'intensité du champ magnétique existant au moment où ces matériaux se sont figés. Parfois, cette approche, dite paléomagnétique, n'est pas suffisante pour quantifier précisément les variations globales du champ. Les chercheurs ont couplé cette méthode avec la mesure de la concentration de Béryllium 10 sur les mêmes archives sédimentaires. Ils ont ainsi montré que les pics de concentration de cet isotope sont synchrones et présentent la même dynamique et la même amplitude dans les sédiments du Pacifique et de l'Atlantique que dans les glaces carottées au Groenland précédemment analysées. La méthode basée sur le Béryllium 10, affinée depuis 10 ans au CEREGE, permet donc de reconstituer de façon continue les variations d'intensité du champ magnétique terrestre dans sa globalité.

Par ailleurs, on sait que depuis 3000 ans le champ magnétique a perdu 30% de sa force. Cette évolution laisse penser que la Terre pourrait connaître dans les siècles à venir, une excursion semblable à celle survenue il y a 41 000 ans. Les rayons cosmiques de haute énergie pouvant provoquer des mutations et lésions cellulaires, cet événement  ne serait pas sans conséquences sur la biodiversité, et notamment sur l'espèce humaine. Voilà pourquoi les chercheurs veulent connaître précisément les rythmes des séquences d'inversions et excursions du champ magnétique afin de retrouver d'éventuelles régularités dans son comportement, et mieux comprendre ainsi l'origine de ces phénomènes dont le siège est le noyau terrestre. C'est le but du projet Magorb lancé en 2009, avec le financement de l'ANR, et porté par le CEREGE, l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, CNRS/CEA/UVSQ).

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