Paris, 15 novembre 2012

Changer la couleur des étoiles pour mieux les voir

Une nouvelle méthode d'imagerie permettant de voir des objets célestes émettant dans le domaine de l'infrarouge vient d'être mise au point par une équipe du laboratoire XLIM (CNRS/Université de Limoges), basée sur la conversion du signal lumineux en provenance de l'astre en un autre dans le visible. L'équipe a effectué un test concluant sur trois étoiles (Bételgeuse, Antares et Pollux) au cours d'une campagne organisée à l'observatoire astronomique du Mauna Kea (Hawaï-Etats-Unis). Ces travaux - qui ont fait l'objet d'une publication le 08 novembre 2012 dans la prestigieuse revue MNRAS (Monthly Notice of Royal Astronomy Society)- pourraient ouvrir la voie à de nombreuses applications dans le domaine de la santé, de l'environnement et des télécommunications. Ils ont été obtenus dans le cadre d'une collaboration internationale (1) avec l'expérience OHANA.
En Astronomie, l'interférométrie optique désigne un procédé consistant à réunir plusieurs télescopes afin de réaliser des images à haute résolution spatiale d'objets célestes de petites tailles ou faiblement lumineux. Cette technique s'avère complexe à mettre en œuvre  lorsque l'astre considéré émet principalement de la lumière dans le domaine de l'infrarouge lointain : outre qu'ils sont moins sensibles à ces longueurs d'onde que dans le visible, les détecteurs et l'ensemble des éléments de l'instrument doivent être munis de systèmes de refroidissement pour fonctionner. Une équipe internationale animée par François Reynaud du département Photonique d'XLIM a démontré qu'il est possible de convertir, sans perte d'information, le signal infrarouge d'une étoile en un autre dans le visible, facilement exploitable par une chaîne d'instruments classiques.  

Pour y arriver, ces chercheurs ont imaginé une utilisation inédite d'une méthode d'optique « non linéaire ». Celle-ci fait appel à des composants développés au sein de l'université de Paderborn (Allemagne) : des cristaux de Niobate de Lithium ayant subi une préparation particulière. Lorsque le faisceau d'un laser de pompe (1064 nm) et un signal infrarouge (1550 nm) sont envoyés simultanément dans ce matériau, celui-ci possède la faculté de produire des photons visibles (630 nm). Or, des tests au laboratoire XLIM ont démontré que ce phénomène est observable même lorsque le flux de photons infrarouges est très faible, comme dans le cas de la lumière en provenance d'une étoile.

Restait à prouver sur un cas réel que le procédé fonctionne. C'est ce qu'ont réussi à faire, les 18 et 19 avril derniers, sur le site de l'observatoire astronomique du Mauna Kea (Hawaï-Etats-Unis, situé à 4200 mètres sur l'île principale d'Hawaï), les physiciens d'XLIM au cours d'une campagne organisée dans le cadre du projet ALOHA (2). A l'aide d'un petit télescope de 20 cm de diamètre, l'équipe a réussi à transformer le rayonnement infrarouge des étoiles Bételgeuse, Antares et Pollux en un signal dans le visible. Elle devrait procéder prochainement à d'autres essais sur l'interféromètre CHARA du Mont Wilson (Etats-Unis) afin de vérifier que la méthode est, effectivement, utilisable pour l'imagerie à haute définition des sources astronomiques.

Si ce nouveau procédé est destiné au départ à l'astronomie, ses domaines d'applications potentielles sont larges et concernent toutes les techniques faisant appel à la détection d'un signal infrarouge de faible intensité. Outre le diagnostic médical et la cryptologie quantique, l'analyse des polluants et la surveillance météorologique dans les aéroports, réalisées à l'aide de Lidars, sont concernés.

C'est dans ce contexte qu'une collaboration entre XLIM et la société LEUKOS, à Limoges a été mise en place. Cette société, reconnue pour ses sources lasers blanches, souhaite, en effet, étendre son domaine de compétences à la détection des rayonnements lumineux. Cette action commune se traduit par un développement conjoint de ce nouveau type de détecteurs.

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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.

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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, 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.

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