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).

Notes :
(1) Cette étude a été pilotée par les chercheurs du Centre de spectrométrie nucléaire et spectrométrie de masse(Université Paris-Sud 11/CNRS) en collaboration étroite avec des chercheurs du Laboratoire de physique des solides (Université Paris-Sud 11/CNRS), de l'Unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l'Université Paris-Sud 11 et de l'Institut d'électronique fondamentale(Université Paris-Sud 11/CNRS).
(2) le cuivre, le titane, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, etc.
(3) la capacité à conduire le courant électrique sans pertes
(4) le changement de la résistance de plusieurs ordres de grandeur sous application d'un très faible champ magnétique, utilisée dans les disques durs.
(5) la capacité de transformer un gradient de température en énergie électrique, qui pourrait servir à récupérer la chaleur dégagée par un ordinateur pour la réinjecter dans le système sous forme d'énergie (et économiser ainsi la batterie ou l'alimentation).
(6) coexistence de ferroélectricité, ferromagnétisme et/ou ferroélasticité, de quelques oxydes de fer ou de manganèse
(7) de quelques oxydes de titane – qui arrivent même à faire de l'hydrolyse (la décomposition de l'eau en oxygène et hydrogène) en présence de lumière ultraviolette.

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Paris, 15 juin 2011

Des neutrinos en flagrant délit de métamorphose
Pour la première fois, les physiciens de l'expérience T2K au Japon, parmi lesquels ceux du CNRS (1) et du CEA/Irfu, annoncent avoir très probablement détecté une transformation de neutrinos muons en neutrinos électrons. L'observation - probable à plus de 99% - de ce phénomène constituerait une découverte majeure pour la compréhension de la physique des particules élémentaires et ouvrirait la voie à de nouvelles études sur l'asymétrie entre la matière et l'antimatière.
Les neutrinos existent sous trois formes ou « saveurs » : les neutrinos électrons, muons et tau. L'expérience T2K, située au Japon, étudie le mécanisme d'oscillation de ces particules, c'est-à-dire la faculté qu'elles ont à se transformer en une autre saveur dans leurs déplacements. Son principe est d'observer les oscillations des neutrinos sur une distance de 295 km, entre les sites de Tokai, où les neutrinos muons sont produits grâce à l'accélérateur de particules de JPARC (2) sur la côte est du Japon, et le détecteur Super-Kamiokande, une cuve d'eau cylindrique de 40 mètres de diamètre et 40 mètres de hauteur située à 1 000 mètres sous terre, près de la côte ouest (d'où son nom T2K, qui signifie « de Tokai à Kamiokande »).

Les analyses des données collectées entre la mise en service de l'expérience en janvier 2010 et mars 2011 (l'expérience a été arrêtée avec le séisme du 11 mars) montrent que durant cette période, le détecteur Super-Kamiokande a enregistré un total de 88 neutrinos, parmi lesquels 6 neutrinos électrons qui proviendraient de la métamorphose de neutrinos muons en neutrinos électrons. Les 82 neutrinos restants seraient essentiellement des neutrinos muons n'ayant subi aucune transformation entre leur point de production et leur détection. Des mesures utilisant un GPS certifient que les neutrinos identifiés par le détecteur Super-Kamiokande ont bel et bien été produits sur la côte est du Japon. Les physiciens estiment ainsi que les résultats obtenus correspondent à une probabilité de 99,3% de découverte de l'apparition des neutrinos électrons.

L'expérience T2K redémarrera dès la fin de cette année. Bien que situés dans une zone sismique proche de l'épicentre du tremblement de terre du 11 mars 2011, le laboratoire JPARC et les détecteurs proches de T2K n'ont subi heureusement que des dégâts minimes. Le prochain objectif de T2K est de confirmer avec davantage de données l'apparition des neutrinos électrons et, mieux encore, de mesurer le dernier « angle de mélange », un paramètre du modèle standard qui ouvrirait la voie aux études de l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans notre Univers.

La collaboration T2K regroupe plus de 500 physiciens de 62 institutions réparties dans 12 pays (Japon, pays européens et États-Unis). Les équipes du CNRS et du CEA/Irfu ont mis au point certains instruments de mesure utilisés dans les détecteurs proches (situés à 280 mètres du point de production des neutrinos et nécessaires à contrôler l'expérience) et participé à la calibration du détecteur Super-Kamiokande. Elles ont également contribué à l'analyse des données.

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Paris, 05/06/2012

L'information de spin semble trouver enfin son support pour l'électronique de demain : le graphène

Avec des centaines de millions de disques durs vendus chaque année et la prolifération des data-centers de géants de l'internet, le magnétisme reste aujourd'hui, de loin, la principale source de stockage de l'information à l'échelle mondiale. C'est en fait le « spin », le nano-aimant élémentaire du magnétisme, qui porte cette information. Bien au delà du stockage, il est pressenti comme l'un des vecteurs possibles de l'information pour l'électronique à faible consommation de demain. Cependant malgré plusieurs décennies de recherche intense, cet avènement se heurte au paradoxe de l'information de spin : alors même qu'elle est la plus prisée dans le stockage pour son caractère non-volatile, elle s'est révélée être des plus volatiles lorsqu'on cherche à la transporter. Des chercheurs de l'Université Paris-Sud, du CNRS et de Thales, en collaboration avec des collègues américains du GeorgiaTech, montrent que le graphène pourrait être le media idéal permettant d'envisager à terme la réalisation d'architectures complexes et de logiques s'appuyant sur le traitement d'informations à base de spin. Ces travaux viennent d'être publiés sur le site de la revue Nature physics.
Le traitement de l'information de spin est un paradigme possible pour l'électronique post-CMOS (complementary metal-oxide semiconductor)(1) et le transport efficace du spin sur de longues distances est un élément fondamental de cette vision. Cependant, malgré plusieurs décennies de recherche intense, une plateforme appropriée restait encore à trouver.

Des scientifiques de l'unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l'Université Paris-Sud, de l'Institut Néel (CNRS), du laboratoire Thales Research and Technology et du Georgia Institute of Technology (USA) ont étudié le transport de spin dans des structures à deux terminaux de type polariseur / analyseur basés sur du graphène à haute mobilité obtenu par croissance épitaxiale sur du carbure de silicium. Ils ont démontré que le transport de spin dans le graphène est efficace jusqu'à 75% avec des signaux de spin de l'ordre du mega-ohm et des longueurs de diffusion de spin de plus 100 micromètres.

Ces résultats, fruits d'une collaboration entre spécialistes de l'électronique de spin et du graphène, permettent enfin de lever un verrou et d'entrevoir une plateforme potentielle pour le traitement de l'information de spin : le graphène, cette couche de carbone monoatomique avec une structure de nid d'abeille. La spintronique(2) associée au graphène pourrait être pressentie comme l'un des vecteurs possibles de l'information pour l'électronique à faible consommation de demain.

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Paris, 21 septembre 2011

Première traversée en solitaire d'un électron dans un métal
Quiconque chercherait à traquer un électron dans un métal serait bien en peine : les électrons sont non seulement des particules indiscernables les unes des autres, mais ils ont tendance à se déplacer en groupe dans les métaux. Pourtant, c'est bien la traversée solitaire d'un électron dans un tel matériau qu'ont réussi à observer et à maîtriser des physiciens de l'Institut Néel (CNRS) à Grenoble. Pour débusquer le phénomène, les chercheurs ont fabriqué un dispositif expérimental à base de « boîtes quantiques », entre lesquelles un unique électron a littéralement surfé sur une onde sonore. Une première qui pourrait sonner le début de la téléportation du spin d'un électron et de l'ordinateur quantique. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature le 22 septembre 2011.
Les boîtes quantiques sont le premier élément clé du dispositif conçu par les physiciens grenoblois, en collaboration avec les universités de Tokyo et de Bochum, en Allemagne. Circuits électroniques de plus en plus répandus dans les laboratoires de physique, les boîtes quantiques sont des sortes de pièges microscopiques à électrons. C'est-à-dire qu'on sait, via un fil électrique afférent, y glisser un par un des électrons. Les chercheurs de Grenoble ont placé deux de ces boîtes aux extrémités d'un canal sculpté dans une fine couche d'or (elle-même superposée à un sandwich constitué d'un isolant, de l'arséniure de gallium et d'un métal). La première boîte sert à libérer un électron dans le canal. La seconde, à récupérer la particule à l'autre bout, 3 microns plus loin.

Mais pour rendre possible cette traversée au long cours d'un électron, encore fallait-il aux physiciens imaginer un moyen de propulser l'électron d'une boîte quantique à l'autre. Un rôle dévolu à un générateur d'ondes radio, pièce essentielle de l'expérience. En émettant des ondes radio, le générateur produit par effet piézoélectrique (la capacité d'un matériau à se déformer en présence d'un champ électromagnétique) des ondes sonores dans l'arséniure de gallium. Ces ondes se comportent alors comme des vagues qui poussent l'électron le long du canal, un « surf » version électronique. En inventant ce mode de propulsion inédit, les scientifiques ont fait de l'électron un navigateur solitaire.

Au-delà de la performance expérimentale, le « surf électronique » donne des pistes en physique fondamentale pour généraliser les expériences d'optique quantique à d'autres particules que les photons. Pour l'instant, les grains de lumière sont en effet les seules particules à s'être prêtées à la téléportation et à la cryptographie quantiques. L'obstacle pour utiliser des électrons était précisément la difficulté à les déplacer individuellement entre boîtes quantiques (les briques de bases qu'on envisage pour ce type de physique). En faisant sauter ce verrou, le surf sur ondes sonores est un pas vers la téléportation du spin d'un électron, la cryptographie quantique à base d'électrons et l'ordinateur quantique.

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