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Nano jonctions Josephson à Haute Température Critique

Des équipes de plusieurs laboratoires viennent de mettre au point une nouvelle méthode pour réaliser des Jonctions Josephson avec des Supraconducteurs à Haute Température Critique. Ces nouvelles jonctions sont assez simples à réaliser, reproductibles et surtout facilement intégrables.

Un test concluant des modèles d’« ordre de charges » des manganites.

Les manganites (Re_1-x³⁺ A_x^²⁺)MnO₃ sont connues pour leurs propriétés de magnétorésistance colossale et les applications qui en découlent. A la transition, induite par un champ magnétique, le matériau passe d’une phase « ordre de charges », isolante à une phase ferromagnétique, métal. Nous avons montré sans ambiguïté (Trokiner et. al, PRB (2006)) par RMN de ¹⁷O en champ nul et non nul dans Pr_0.5Ca_0.5MnO₃, que c’est le modèle ionique qui décrit la phase « ordre de charges ».

Le microscope à effet tunnel à rayonnement thermique.

La caméra infrarouge détecte le rayonnement thermique émis par les matériaux à température non nulle.

Intégrée dans un microscope optique conventionnel, elle se heurte à la barrière de la diffraction qui limite sa résolution à quelques micromètres. Des chercheurs de l’UPRA0005 à l’ESPCI ont réussi à créer une sonde locale à balayage qui s’affranchit de cette limite et peut effectuer des cartographies du rayonnement thermique avec une résolution nanométrique.

Visualisation d’ondes de surface générées par des nano-ouvertures

Eclairées en transmission, les nano-ouvertures dans un film mince métallique peuvent créer des ondes de surface qui vont se propager à l’interface métal/diélectrique. Une étude récente du laboratoire réalisée sur des fentes rectilignes a montré que ces ondes de surface sont la somme de plasmons polaritons et d’une composante non-plasmonique qui décroit très rapidement lorsqu’on s’éloigne de l’ouverture. L’étude expérimentale a été réalisée avec un microscope optique en champ proche à sonde fluorescente. L’image de la figure ci-contre montre la distribution du champ électromagnétique au dessus de 2 fentes rectilignes parallèles. Des interférences entre les ondes de surface sont clairement visibles entre les fentes.

Imagerie thermique haute résolution à travers le substrat de circuits intégrés en fonctionnement

Dans un circuit intégré en fonctionnement, l’essentiel de l’échauffement est produit au niveau des couches actives, enterrées sous plusieurs micromètres de diélectriques (encapsulation) ou de métaux (pistes, interconnections) et donc inaccessibles à la mesure. Pour accéder à leur température, nous proposons de mesurer dans l’infrarouge proche les variations du coefficient de réflexion induites par l’échauffement. Le silicium étant transparent au dessus de l=1.1 mm, il est ainsi possible d’obtenir une image de l’échauffement sous les couches actives, à travers le substrat, avec une résolution limitée par la diffraction (figure). Au-delà, nous montrons que l’utilisation d’une lentille de silicium permet d’améliorer la résolution d’un facteur nSi=3,5 par rapport à la limite de diffraction dans l’air, et donc d’obtenir des images de température ayant une résolution spatiale de 440 nm.

Plus d'informations: Applied Physics Letters 90, 171112 (2007)
Article dans Laser Focus world :
Thermoreflectance imager sees microscopic IC features through silicon
Contacts: Gilles Tessier, Mathieu Bardoux, Christine Boué, Céline Filloy, Danièle Fournier.

Une méthode originale pour mesurer l'homogénéité de l'orientation cristaline de films minces.

La génération de second harmonique est un outil performant pour rendre compte des inhomogénéités d'un objet cristallin. En utilisant un
microscope optique en champ proche, nous avons observé des films de SBN, des matériaux ferroélectriques possédant des coefficients electro-optiques élevés pouvant avoir des applications dans les systèmes optiques intègrés. La comparaison entre les images de champ lointain (dit aussi microscopie classique ou conventionnelle) et les images de champ proche (celles pour lesquelles on utilise des sondes locales afin d’obtenir une résolution optique bien meilleure que la microscopie classique) nous a permis de séparer les inhomogénéités de surface de celle en volume, une différence qui n'est normalement pas accessible avec la microscopie classique.
Les résultats de cette étude ont aussi une incidence notable pour la
compréhension du fonctionnement du microscope en champ proche que nous utilisons.

Plus d'informations: Journal of Applied Physics -15 April 2007
Contacts: Laurent Mahieu-Williame, Samuel Gresillon, Claude Boccara et Mireille Cuniot Ponsard

Un effet Josephson particulier pour les supraconducteurs qui brisent la symétrie par renversement du temps et la symétrie d'inversion

L’effet Josephson – possibilité d’échanger des paires de Cooper entre deux supraconducteurs, a été prédit en 1962 par Josephson et observé l’année suivante par Rowell et Anderson. Cet effet donne lieu à des prédictions tout-à-fait remarquables, comme une réponse en fréquence très non-linéaire et une dépendance « Fraunhofer » du courant Josephson avec le champ magnétique, similaire à l’intensité diffractée par une fenêtre en fonction de la distance. Récemment nous avons démontré que cette dépendance, qui est considérée comme la signature de l’effet Josephson, peut se trouver remplacée par une simple variation sinusoïdale, lorsque la symétrie par renversement du temps et la symétrie centrale sont brisées. Dans ce cas, le paramètre d’ordre est de la forme s+ip ou d+ip, avec l’existence possible de domaines (d+ip/d-ip par exemple). Le courant Josephson adopte alors un comportement erratique et ne décroît plus à fort champ. Cette situation s’applique dans un composé à fermions lourds CePt3Si ainsi que dans la partie sous-dopée du diagramme de phase des cuprates supraconducteurs, où une expérience récente a mis en évidence une telle brisure de symétrie dans la phase normale.

B. Leridon, Tai-Kai Ng, et C. M. Varma, Physical Review Letters 99, 027002 (2007). Plus d'informations

Microscope terahertz en champ proche avec une source sub-longueur d’onde.

La gamme terahertz (THz) est une partie du spectre électromagnétique encore peu accessible et relativement peu utilisée qui correspond notamment aux fréquences de vibration et de rotation de nombreuses molécules. Dans cette gamme de fréquences, les longueurs d’onde sont de l’ordre de la centaine de micromètres (1THz correspond à peu près à une longueur d’onde de 300 micromètres). À cause de la diffraction, la résolution de l’imagerie THz est de ce fait très insuffisante pour la réalisation de certaines applications, comme par exemple dans le domaine biomédical. En utilisant un effet non linéaire pour produire une source de quelques dizaines de micromètres de large générant de la lumière dans l’infra-rouge et le THz, nous avons conçu un microscope qui s’affranchit de la limite de résolution imposée par la diffraction, et cela sans utiliser de sonde mécanique comme dans les microscopes de champ proche optique courants. La résolution obtenue avec cet appareil est au moins un ordre de grandeur meilleure que la résolution ultime accessible avec les méthodes d’imagerie standards. Les images THz ci-contre ont été réalisées sur un sourcil. Sur l’image de droite, nous avons utilisé les propriétés de linéarité et d’invariance de notre système d’imagerie, ainsi que la déconvolution, afin d’améliorer la résolution d’un facteur 3.

Optics Express DOI : 10.1364/OE.16.004731

Contact : Samuel Gresillon

Exaltation et localisation de fluorescence sur des nanoantennes plasmoniques.
Les antennes sont des objets très courants qui permettent de capter, d'émettre et d'exalter la lumière (le champ électromagnétique, EM). Pourtant, si l'on souhaite obtenir une antenne fonctionnant dans le domaine visible, il est nécessaire de fabriquer des objets dont les dimensions sont tellement petites (quelques dizaines de nanomètres) que les effets lies aux surfaces et à la qualité de ces dernières sont prépondérants. Ceci les rend très difficiles à fabriquer. Dans une collaboration avec l’université de Purdue (USA) et l’université technique du Danemark, nous avons couvert de fluorophores des nano-antennes constituées de paires de particules elliptiques métalliques pour observer comment l'exaltation du champ électromagnétique induit par ces antennes modifiait l'intensité de la fluorescence. En comparant des mesures de champ EM propagatifs (champ lointain) et des mesures de champ EM local (champ proche, voir la figure ci-dessous qui représente des images NSOM, en haut, et une image AFM, en bas, de la fluorescence sur des nanoentennes), nous avons montré dans un article publié récemment dans Appl. Phys. Lett. que les nanoantennes augmentaient l'intensité de fluorescence par au moins 2 ordres de grandeurs et que les zones ou l'intensité de fluorescence etait exalté ne dépassait pas 0,15 micromètres carrés. L'utilisation de ce type de nano-antennes pour l'extraction de lumière ou les lasers nanométriques est très prometteuse.

Applied Physics Lettres DOI: 10.1063/1.2836271

Contact: Samuel Gresillon

Le Mn²⁺, sonde de pression de nanocristaux coeur/coque.

Les quantum dots sont des particules de tailles nanométriques de semiconducteurs possédant des propriétés électroniques uniques variant avec leur taille. Afin de passiver la surface des nanocristaux et de les protéger de l’oxydation, nous faisons croître une coque composée d’un second semiconducteur de plus grand gap sur un cœur (par exemple un système cœur/coque CdS/ZnS). Cependant, la différence de paramètre de maille entre les deux matériaux (typiquement 7% entre CdS et ZnS) induit des contraintes mécaniques pouvant mener à des dislocations. Afin de parvenir à une meilleure compréhension de ces mécanismes, il est important de pouvoir mesurer la pression exercée par la coque sur le cœur de semi-conducteur. Nous avons utilisé un dopage du nanocristal à l’aide d’ions manganèse, qui fournissent un signal de phosphorescence nous renseignant sur la pression locale autour de cet ion. Cet élément dopant – quelques atomes par nanoparticule - a été placé suivant des positions radiales contrôlées dans une coque de ZnS formée couches par couches. Les mesures de pression expérimentales sont remarquablement proches de celles déterminées en utilisant le modèle simple de mécanique d’une sphère élastique isotrope. Ainsi l’utilisation du manganèse comme sonde de pression pourrait servir à la compréhension de certains phénomènes observés tels que les changements de phases cristallines, ou le craquage de certaines coques.

Reference: Ithurria, S., Guyot-Sionnest, P., Mahler, B., and Dubertret, B., Mn²⁺ as a Radial Pressure Gauge in Colloidal Core/Shell Nanocrystals. Physical Review Letters 99, 265501 (2007)

contact: Sandrine ITHURRIA

L’électron se déchire-t-il dans bismuth ?

Un métal est un solide avec des électrons itinérants capable de transporter la charge électrique et la chaleur. Dans les métaux ordinaires, ces électrons se comportent comme des entités individuelles distinctes et sans interaction. Mais il existe des conditions telles que les électrons cessent d’exister individuellement et se mettent dans un état collectif gouverné par les lois de la mécanique quantique (la supraconductivité en est un exemple). Dans certains cas les briques élémentaires de cet état collectif se comportent comme des fractions d’un électron entier : L’électron se déchire. D’après les résultats d’une expérience effectuée à National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee en Floride, il se peut qu’un tel phénomène se produise dans un système familier aux physiciens depuis fort longtemps. Il s’agit de l’élément bismuth. CNRS - Brèves scientifiques