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VOYAGE AUTOUR D'UN TROU NOIR

 

VOYAGE AUTOUR (ET À L'INTÉRIEUR) D'UN TROU NOIR


Conférence donnée à l'IAP le 3 janvier 2012 par Alain Riazuelo, astrophysicien à l'IAP.

À quoi ressemble un trou noir ? Curieusement, les scientifiques ont mis beaucoup de temps avant de chercher une réponse à cette question, alors même que les trous noirs font partie des objets les plus extrêmes et les plus déroutants de l'Univers et que les moyens informatiques modernes permettent d'y apporter de nombreux éléments de réponse.
Dans cette conférence à vocation pédagogique, je présenterai quelques résultats obtenus récemment sur ce sujet, en simulant le spectacle qui s'offrirait aux yeux d'un spationaute courageux (et, disons-le, un peu inconscient) qui s'approcherait du voisinage immédiat du trou noir. Les animations présentées, dont l'objectif est d'allier réalisme du point de vue scientifique à un certain souci esthétique, serviront à illustrer quelques uns des nombreux paradoxes de la théorie de la relativité.

 

VIDEO               CANAL  U                 LIEN

 

(si la video n'est pas accéssible,tapez le titre dans le moteur de recherche de CANAL U.)

 
 
 
 

MICROÉLECTRONIQUE

 

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).

 

DOCUMENT                CNRS                LIEN

 
 
 
 

FORMATION DE LA TERRE

 

Paris, 31 octobre 2012


Des roches du Groenland témoignent du processus de formation de la Terre
Des roches vieilles de 3,4 milliards d'années issues de la chaîne montagneuse d'Isua, au sud-ouest du Groenland, viennent d'apporter des informations précieuses sur la structure de la Terre à ses premiers stades d'évolution. Une équipe franco-danoise menée par des chercheurs du Laboratoire « Magmas et volcans » (CNRS / Université Blaise Pascal / IRD), vient de découvrir, dans ces roches témoins du premier milliard d'années de notre planète, un déficit en Néodyme 142, élément chimique clé dans l'étude de la formation terrestre. Ce déficit étaye l'hypothèse selon laquelle, entre 100 et 200 millions d'années après sa formation, la Terre était constituée d'un océan de magma en fusion qui s'est peu à peu refroidi. Réalisés en collaboration avec le Laboratoire de géologie de Lyon (CNRS / Université Lyon 1 / ENS de Lyon) et l'Université de Copenhague, ces travaux sont publiés le 1er novembre 2012 dans la revue Nature.
Il y a 4,58 milliards d'années, la Terre se serait formée par accrétion de matériaux du système solaire. La chaleur produite par ce processus d'accrétion, ainsi que par la décomposition d'éléments radioactifs, aurait provoqué la fonte de ces matériaux. Résultat : entre 100 et 200 millions d'années après sa formation, la Terre aurait été constituée d'un océan de magma en fusion au centre duquel se serait concentré un noyau métallique. Peu à peu, cet océan se serait refroidi. La croûte terrestre se serait alors formée, puis, la dérive des continents se serait déclenchée. Cette cristallisation du magma en fusion se serait accompagnée d'une structuration chimique de la Terre : des couches concentriques aux compositions chimiques distinctes se seraient individualisées. Ce sont les traces de ces inhomogénéités primordiales que les chercheurs ont retrouvé dans les roches d'Isua.

Les scientifiques s'intéressaient à un élément chimique clé : l'isotope 142 du Néodyme, issu de la décomposition d'un isotope radioactif aujourd'hui disparu, le Samarium 146. Son abondance est presque identique dans toutes les roches terrestres. Deux seules exceptions sont connues jusqu'à présent : certaines roches du Canada et du Groenland datant d'au moins 3,7 milliards d'années. Celles-ci présentent dans leur composition, des traces des inhomogénéités primordiales constituées au moment de cette cristallisation de l'océan magmatique. 

En 2003, deux groupes de chercheurs français avaient observé, pour la première fois, un excès en Néodyme 142 dans des roches de cette même région. Si certaines couches de la Terre primordiale présentaient cet excès, c'est parce que d'autres couches devaient présenter un déficit. Cependant, pendant 9 ans, jusqu'au résultat obtenu aujourd'hui par l'équipe franco-danoise, ces déficits en Néodyme 142 sont restés hypothétiques. Les chercheurs ont analysé très finement, grâce à une méthode sophistiquée, la spectrométrie de masse à thermo-ionisation, la teneur en Néodyme 142 d'échantillons de roche issues d'Isua. Ils ont ainsi découvert un déficit de 10,6 parties par million en Néodyme 142, ce qui conforte la théorie de « l'océan magmatique ». 

Ces résultats vont permettre d'améliorer les modèles sur la dynamique interne de la Terre à ses premiers stades d'évolution. En effet en découvrant un déficit en Néodyme 142 dans des roches relativement jeunes, formées près d'un milliard d'années après la cristallisation de l'océan magmatique, les chercheurs ont montré que les inhomogénéités primordiales se sont maintenues plus longtemps que prévu, avant d'être résorbées par le mouvement de convection du manteau terrestre. Afin de disposer de données plus globales, les chercheurs comptent à présent étudier la composition d'autres roches d'âge similaire affleurant par exemple au Canada, en Afrique du Sud ou en Chine.

DOCUMENT               CNRS                 LIEN

 
 
 
 

NANOTECHNOLOGIE

 

Paris, 27 février 2013


Energie renouvelable : des nanotubes pour tirer le meilleur de l'énergie osmotique
La différence de salinité entre l'eau douce et l'eau de mer est l'une des voies explorées pour obtenir de l'énergie renouvelable. Néanmoins, les faibles rendements des techniques actuelles constituent un frein à son utilisation. Ce verrou pourrait être en train d'être levé. Une équipe menée par des physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), a découvert une nouvelle piste pour récupérer cette énergie : l'écoulement osmotique à travers des nanotubes de Bore-Azote permet de générer un courant électrique géant avec une efficacité plus de 1 000 fois supérieure à celle atteinte jusqu'ici. Pour parvenir à ce résultat, les chercheurs ont développé un dispositif expérimental très original permettant, pour la première fois, d'étudier le transport osmotique des fluides à travers un nanotube unique. Leurs résultats sont publiés le 28 février dans la revue Nature.
Les phénomènes osmotiques se manifestent lorsque l'on met en contact un réservoir d'eau salée avec un réservoir d'eau douce par l'intermédiaire de membranes semi-perméables adaptées. Il est alors possible de produire de l'électricité à partir des gradients salins. Ceci, de deux façons différentes : d'un côté, la différence de pression osmotique entre les deux réservoirs peut faire tourner une turbine ; de l'autre, l'utilisation de membranes qui ne laissent passer que les ions permet de produire un courant électrique.

Concentrée au niveau des embouchures des fleuves, la capacité théorique de l'énergie osmotique au niveau mondial serait d'au moins 1 Térawatt, soit l'équivalent de 1000 réacteurs nucléaires. Cependant, les technologies permettant de récupérer cette énergie présentent d'assez faibles performances, de l'ordre de 3 Watts par mètre carré de membrane. Les physiciens de l'Institut Lumière Matière (CNRS / Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS), pourraient être parvenus à lever ce verrou.

Leur but premier était d'étudier la dynamique de fluides confinés dans des espaces de taille nanométrique tels que l'intérieur de nanotubes. En s'inspirant de la biologie et des recherches sur les canaux cellulaires, ils sont parvenus, pour la première fois, à mesurer l'écoulement osmotique traversant un nanotube unique. Leur dispositif expérimental était composé d'une membrane imperméable et isolante électriquement. Cette membrane était percée d'un trou unique par lequel les chercheurs ont fait passer, à l'aide de la pointe d'un microscope à effet tunnel, un nanotube de Bore-Azote de quelques dizaines de nanomètres de diamètre extérieur. Deux électrodes plongées dans le liquide de part et d'autre du nanotube leur ont permis de mesurer le courant électrique traversant la membrane.

En séparant un réservoir d'eau salée et un réservoir d'eau douce avec cette membrane, ils ont généré un courant électrique géant à travers le nanotube. Celui-ci est dû à l'importante charge négative que présentent les nanotubes de Bore-Azote à leur surface, charge qui attire les cations contenus dans l'eau salée. L'intensité du courant traversant le nanotube de Bore-Azote est de l'ordre du nanoampère, soit plus de mille fois celui produit par les autres méthodes cherchant à récupérer l'énergie osmotique.

Les nanotubes de Bore-Azote permettent donc de réaliser une conversion extrêmement efficace de l'énergie contenue dans les gradients salins en énergie électrique directement utilisable. En extrapolant ces résultats à une plus grande échelle, une membrane de 1 mètre carré de nanotubes de Bore-Azote aurait une capacité d'environ 4 kW et serait capable de générer jusqu'à 30 MegaWatts.heure 1 par an. Ces performances sont trois ordres de grandeur au-dessus de celles des prototypes de centrales osmotiques en service aujourd'hui. Les chercheurs veulent à présent étudier la fabrication de membranes composées de nanotubes de Bore-Azote, et tester les performances de nanotubes de composition différente.

DOCUMENT            CNRS             LIEN

 
 
 
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