Laboratoire de Physique et d’Étude des Matériaux

UMR 8213 - LPEM

Directeur : J. Lesueur

Le LPEM - UMR 8213 est implanté à l’Ecole Supérieure de Physique et Chimie Industrielles de la Ville de Paris (l’ESPCI).
Le laboratoire est affilié au CNRS, à l’Université Pierre et Marie Curie l’Université Pierre et Marie Curie, et à l’ESPCI.

Actualités du laboratoire

Propositions de thèses

Prochain séminaire

Jeudi 17 Juin à 16 h 00 (Amphi Holweck, Esc. C, 1er étage)

Quantum Criticality in Geometrically Frustrated Pr2Ir2O7

Jan Guido Donath Max-Planck-Insitute for Chemical Physics of Solids

Pour tout renseignement :
N. Bergeal : 01 40 79 44 83 – nicolas.bergeal@espci.fr
B. Fauqué 01 40 79 58 14 –benoit.fauque@espci.fr

A la une

De nouveaux ligands zwitterioniques pour les QDs et l’imagerie biologique

L’application des quantum dots fluorescents en imagerie biologique nécessite une chimie de surface à la fois compacte, furtive et stable afin de bien contrôler les interactions entre ces nanosondes et leur environnement. E. Muro et ses collaborateurs ont développé un nouveau ligand zwitterionique, possédant à la fois une charge positive et une charge négative, qui est à la fois bien plus petit et plus stable que le polyethylène glycol utilisé jusqu’à présent pour la biocompatibilité des nanoparticules. Cette nouvelle fonctionnalisation des QDs ouvre la voie à de nombreuses applications pour l’imagerie cellulaire ou in vivo.

Eleonora Muro, Thomas Pons, Nicolas Lequeux, Alexandra Fragola, Nicolas Sanson, Zsolt Lenkei and Benoit Dubertret J. Am. Chem. Soc., *2010*, /132/ (13), pp 4556—4557

Oscillations quantiques de l’effet Nernst

En présence d’un champ magnétique, les électrons suivent une trajectoire orbitale. Le physicien russe Lev Landau a découvert dans les années trente que la mécanique quantique impose à ces orbites des contours particuliers. Les oscillations quantiques sont une manifestation expérimentale de ce phénomène appelé la quantification de Landau. Quand on balaye le champ magnétique, diverses propriétés physiques d’un solide métallique présentent des oscillations périodiques en inverse du champ magnétique, la fréquence de ces oscillations étant déterminée par la taille des orbites. Ces oscillations quantiques ont été notamment employées pour déterminer la « carte d’identité » d’un métal qui est la structure de sa surface de Fermi.

S’agissant de la conductivité électrique, on a découvert dans les années quatre-vingt, que ces oscillations sont qualitativement affectées par la dimensionnalité du système. Quand le déplacement des électrons est restreint à deux dimensions, les oscillations quantiques de l’effet Hall deviennent une suite de plateaux quantifiée. Il s’agit de l’effet Hall quantique. Fig. 1- Oscillations de l’effet Nernst dans graphite. Elles deviennent de plus en plus prononcées avec le refroidissement.

Une équipe du Laboratoire de Photons Et Matière (ESPCI-CNRS) vient d’effectuer des expériences qui révèlent une autre corrélation, cette fois entre la dimensionnalité d’un système électronique et sa réponse thermoélectrique. L’effet Nernst est la génération d’un champ électrique transverse par un gradient thermique longitudinal. L’équipe parisienne a découvert qu’il existe une différence qualitative entre le profil d’une oscillation quantique de réponse Nernst dans le graphite et dans le graphène. Puisque la dimensionnalité est le seul trait de distinction entre ces deux systèmes (graphite est un empilement macroscopique des couches de graphène), cette observation établit le rôle fondamental de la dimensionnalité dans la réponse thermoélectrique transverse. En contraste avec le cas de l’effet Hall, c’est l’effet Nernst tridimensionnel qui paraît plus énigmatique. En effet, les degrés de libertés offerts aux électrons par la possibilité de se déplacer en troisième dimension compliquent un problème qui n’a pas encore été résolu théoriquement.

En savoir plus : Nernst effect and dimensionality in the quantum limit , Zengwei Zhu, Huan Yang, Benoît Fauqué, Yakov Kopelevich & Kamran Behnia , Nature Physics 6, 26 - 29 (2010)

Contact chercheur : Kamran Behnia, kamran.behnia@espci.fr

Instabilité de la surface de Fermi lors de la transition « d’ordre caché » dans URu2Si2

Andrés F. Santander-Syro (ESPCI et CSNSM)
Markus Klein, Florin L. Boariu, Andreas Nuber (Universität Würzburg)
Pascal Lejay (Institut Néel)
Friedrich Reinert (Universität Würzburg et Karslruhe Gemeinschaftslabor für Nanoanalytik)

Nature Physics
Published online 26 July 2009
DOI : 10.1038/nphys1361

La réorganisation spontanée et collective des degrés de liberté d’un système lors d’une transition de phase vient généralement accompagnée d’une rupture de symétrie et l’apparition d’un paramètre d’ordre. La cristallisation de l’eau, l’alignement des spins électroniques dans un aimant, l’apparition de la supraconductivité dans un métal refroidi, ou encore l’apparition de particules massives dans l’Univers primitif sont tous des exemples de transitions de phase. Souvent, le paramètre d’ordre associé à la transition est facilement identifié, mais il existe des cas pour lesquels on observe une claire transition de phase sans qu’on puisse identifier le paramètre d’ordre correspondant : on est confrontés à un « ordre caché » [1]. En physique des particules, par exemple, des modes collectifs de masse non nulle (modes « lourds », les bosons W et Z) émergent suite à une brisure de symétrie de l’interaction électrofaible. Le paramètre d’ordre associé à cette brisure de symétrie serait l’hypothétique boson de Higgs, encore non détecté et but majeur du LHC. En physique du solide, un exemple paradigmatique d’ordre caché est le métal URu2Si2, qui présente une transition de phase de deuxième ordre à une température To = 17.5 K, et dont le paramètre d’ordre associé reste un mystère après plus de 25 ans de recherche intensive tant expérimentale que théorique. Dans ce matériau, les fortes répulsions entre les électrons de conduction (amenant à des masses effectives électroniques grandes) mettent en compétition les comportements localisés et itinérants de ces électrons. Une question critique est savoir si l’ordre caché dans l’URu2Si2 survient des électrons des orbitales f localisés sur les atomes d’uranium, ou si au contraire des électrons itinérants lourds sont à l’origine de l’instabilité donnant lieu à la transition.

En collaboration avec des chercheurs allemands et grenoblois, nous avons mené des expériences de spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) pour sonder les excitations collectives de basse énergie de ce matériau, et leurs changements lors de la transition d’ordre caché. Nous avons découvert que quand l’URu2Si2 est refroidi à son état d’ordre caché, une bande d’électrons lourds, ayant une masse 25 fois supérieure à la masse de l’électron, migre des états microscopiques non occupés vers les états microscopiques occupés, causant une instabilité dans la surface de Fermi qui sépare ces deux ensembles d’états et qui est responsable du comportement macroscopique du métal [2]. La découverte de ce mode collectif massif, et de son changement lors de la transition, devraient aider les théoriciens qui cherchent à expliquer l’élusif et fascinant ordre caché.

[1] V. Tripathi, P. Chandra and P. Coleman. Sleuthing hidden order. Nature Physics 3, 78 (2007) [2] A. F. Santander-Syro et al. Fermi-surface instability at the ‘hidden-order’ transition of URu2Si2. Nature Physics DOI : 10.1038/nphys1361 (July 2009).

Figure 1. A gauche, spectre ARPES au dessous de la température d’ordre caché (intensité en couleur en fonction de l’énergie de liaison et le vecteur d’onde électronique). Les lignes en pointillés montrent une bande d’électrons lourds et une bande de conduction hybridées. A droite, évolution en température du pic spectral des électrons lourds, intégré sur tous les vecteurs d’onde. La température d’ordre caché est To = 17.5 K.

Crédits images : Andrés F. Santander-Syro.