Paris, 22 mai 2012

Une journée tous publics pour découvrir que Tout est quantique ? !
Le CNRS et le Musée des arts et métiers – Cnam organisent dimanche 3 juin 2012 de 10h à 18h une journée destinée à un public familial et curieux pour découvrir, de façon ludique et spectaculaire, l'univers surprenant de la physique quantique. Cette manifestation gratuite au Musée des arts et métiers (1) propose d'aborder de manière simple et amusante cette science élaborée pour expliquer des phénomènes inaccessibles à notre perception, à l'échelle de l'infiniment petit et sans laquelle les ordinateurs, les télécommunications et le positionnement par satellite ne feraient pas partie de notre quotidien.
Au programme de cette journée "Tout est quantique ?!" : des expériences participatives, des démonstrations, des rencontres avec les scientifiques, des conférences et des jeux pour tous. Les visiteurs (à partir de de 6 ans) pourront découvrir comment les atomes mesurent le temps et voyager dans l'infiniment petit grâce à des microscopes ultra-puissants, piéger les atomes, jouer avec la lumière des lasers, observer des nanoparticules d'or ou des nanocristaux fluorescents. Une invitation à partir à la découverte d'objets insolites, du passé et du futur, sur la piste de la physique quantique… avec en prime un iPad à gagner !

Les chercheurs donneront à « voir » la physique quantique mais aussi la feront expérimenter autour de 3 espaces thématiques. Initié par les chercheurs, chacun pourra explorer la matière atome par atome, à moins d'un milliardième de mètre en prenant les commandes de microscopes ultra-puissants. Les visiteurs pourront découvrir les jeux de lumière des lasers, les couleurs du nanomonde mais aussi le fonctionnement d'une horloge atomique à la précision inégalée. Ils pourront aussi tester la glisse incomparable du premier skate supraconducteur qui lévite sans aucun frottement au-dessus de rails magnétiques de 5 mètres et admirer la Tour Eiffel prenant son envol grâce à sa version supra.

Un espace réservé aux enfants à partir de 6 ans leur proposera de « jouer avec la physique quantique ». Chaque enfant deviendra incollable sur les atomes et pourra épater ses parents avec sa maquette d'atome, sa cocotte-quiz ou son pliage quantique.

A ne pas manquer, la conférence d'ouverture de Serge Haroche, professeur au Collège de France sur « Le chat de Schrödinger et autres histoires quantiques… » suivie de 6 mini-conférences de 20 minutes pour tout savoir sur la physique quantique.

Cette journée est organisée par le CNRS et le Musée des arts et métiers – Cnam, en collaboration avec l'ESPCI ParisTech, l'Institut d'Optique Graduate School, l'Observatoire de Paris et les universités Paris 13, Paris Diderot, Paris Sud, Pierre et Marie Curie et avec le soutien de C'Nano IdF, de la Région Ile-de-France, de la Société Française de Physique et du Triangle de la Physique.

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Paris, 14 mars 2012

Nouvelle génération de transistors flexibles à base de graphène
La réalisation de composants électroniques à base de graphène, matériau constitué d'un plan unique d'atomes de carbone, est aujourd'hui un défi technologique majeur. Les chercheurs espèrent, d'une part, bénéficier de la mobilité électronique exceptionnelle au sein de ce matériau et, d'autre part, concevoir des composants électroniques flexibles à bas coût. Ainsi, des chercheurs du CEA 1, du CNRS 2, de l'Université Lille 1 2 et de l'Université de Northwestern 3 ont élaboré un nouveau procédé original de fabrication de transistors combinant flexibilité et mobilité électronique, capables de fonctionner à très haute fréquence (GHz) et utilisant du graphène manipulé « en solution », compatible avec des techniques d'impression. De tels composants électroniques devraient permettre le développement de circuits électroniques performants, intégrés dans les objets du quotidien. Ces résultats sont publiés dans la revue Nano Letters du 14 mars 2012.
Le graphène, plan unique d'atomes de carbone à structure hexagonale, possède des propriétés exceptionnelles. En particulier, la grande mobilité des électrons dans ce matériau doit favoriser le fonctionnement à très haute fréquence de composants électroniques réalisés en graphène. Par ailleurs, ses propriétés mécaniques en font un matériau flexible. Ces deux avantages pourraient être mis à profit dans la fabrication de composants et de circuits électroniques destinés à des secteurs variés : développement d'écrans souples, de transistors et de composants électroniques très performants et fabriqués à bas coût.

Actuellement, plusieurs voies de synthèse du graphène existent. L'une d'elles permet de le produire sous la forme d'une solution de particules de quelques centaines de nanomètres de diamètre, stabilisées dans l'eau par des tensioactifs 4. Pour obtenir cette « encre conductrice », la voie de synthèse utilisée permet de ne sélectionner que des feuillets monocouches qui assurent des propriétés électroniques remarquables 5 (et non un mélange de graphène monocouche et multicouche). Autre spécificité : la production de composants peut s'effectuer sur des supports très variés tels que du verre, du papier ou encore un substrat organique.

Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Université Lille 1 et de l'Université de Northwestern ont, pour la première fois, élaboré un procédé original de fabrication de transistors flexibles à partir de graphène solubilisé, sur des substrats de polyimide (polymère thermostable). Ils ont ensuite étudié de manière  approfondie leurs performances haute-fréquence.
 
Dans le procédé mis au point, les feuillets de graphène en solution sont déposés sur le substrat sous l'effet d'un champ électrique alternatif appliqué entre des électrodes préalablement fabriquées. Cette technique de diélectrophorèse (DEP) permet de diriger le dépôt du graphène et d'obtenir localement une forte densité de feuillets déposés. Cette densité est cruciale pour obtenir d'excellentes performances à haute fréquence. Ainsi, la mobilité des charges dans les transistors réalisés est de l'ordre de 100 cm2/V.s, ce qui est très supérieur aux performances obtenues avec des molécules ou des polymères semi-conducteurs. Ces transistors atteignent donc des fréquences très élevées, de l'ordre de 8 GHz, jusqu'ici jamais obtenues en électronique organique !

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Paris, 8 mars 2012

Première mesure de l'énergie minimum nécessaire pour inscrire un bit informatique
Dans un ordinateur, l'écriture ou l'effacement d'un bit d'information nécessite forcément de dépenser une énergie dont la plus petite valeur possible est donnée par le principe de Landauer. Cette importante prédiction physique qui fait le lien entre la théorie de l'information et la thermodynamique vient pour la première fois d'être vérifiée expérimentalement par des chercheurs du Laboratoire de physique de l'Ecole normale supérieure de Lyon (CNRS/ENS de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1), en collaboration avec un groupe allemand de l'Université de Augsburg. Leurs travaux sont publiés dans la revue Nature du 8 mars 2012.
Peut-on imaginer mettre au point un ordinateur parfait capable d'effectuer des opérations logiques sans consommer aucune énergie ? A cette question, Rolf Landauer a répondu non en 1961. Le physicien américain avait en effet remarqué qu'à chaque fois qu'un bit d'information est créé, la mémoire binaire de l'ordinateur se voit réduite à un seul de ses deux états possibles. Faisant le lien avec la thermodynamique, Landauer a proposé que cette diminution du désordre exige pour être réalisée une quantité minimale d'énergie dont la valeur est aujourd'hui connue sous le nom de limite de Landauer (1). Vérifiée par des simulations numériques, cette énergie extrêmement faible (un milliard de fois plus petite que l'énergie nécessaire pour réchauffer d'un degré un micron cube d'eau) n'avait encore jamais été mesurée expérimentalement.

Dans l'expérience des chercheurs, c'est une bille en silice de 2 microns qui a joué le rôle du bit d'information. Plongée dans un liquide, la particule a été immobilisée par le faisceau extrêmement focalisé d'un laser, un instrument appelé ''pince optique'' couramment utilisé par les physiciens ou les biologistes. Pour leur expérience qui exige une très grande précision, les chercheurs ont conçu et construit eux-mêmes le dispositif de manière à le rendre totalement stable et insensible aux perturbations extérieures. Un deuxième piège optique identique a ensuite été focalisé juste à côté du premier. La bille microscopique peut ainsi occuper indifféremment deux positions possibles, tout comme un bit d'information peut prendre la valeur 0 ou 1. Les chercheurs ont ensuite créé un petit écoulement dans le liquide, de la droite vers la gauche, obligeant la particule à finir sa course dans le piège de gauche. Comme si on imposait au bit de prendre la valeur 1 par exemple.
Répété un très grand nombre de fois, ce cycle a été filmé par une caméra rapide à plus de 1 000 images par seconde. Connaissant avec précision la position de la particule, la vitesse d'écoulement du fluide ainsi que sa viscosité, les chercheurs ont pu ainsi mesurer l'énergie moyenne nécessaire pour faire passer la bille du piège de droite vers le piège de gauche. Et ils ont alors remarqué que pour des vitesses d'écoulement très lentes, cette énergie était minimale et correspondait précisément à la limite de Landauer.

Si en informatique, le résultat n'offre pas de perspectives immédiates, nos ordinateurs étant encore très loin de fonctionner à la limite de Landauer, les nanotechnologies en revanche pourraient en bénéficier dans un futur proche. L'énergie dépensée par un système nanométrique est en effet comparable à celle mesurée par les chercheurs. Un paramètre important à prendre en compte si l'on veut mettre au point des machines miniatures capables de travailler avec une grande efficacité.

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Paris, 23 novembre 2012

Un événement de l'histoire du champ magnétique terrestre révélé par l'action du rayonnement cosmique
Il y a 41 000 ans, le champ magnétique de la Terre s'est estompé jusqu'à pratiquement disparaître, laissant notre planète sans protection face au bombardement de particules cosmiques. Des traces de cet événement ont été retrouvées dans des carottes de sédiments océaniques par une équipe du Centre de recherche et d'enseignement de géosciences de l'environnement (CEREGE, CNRS/Aix-Marseille Université/IRD/Collège de France). Dans ces carottes, les chercheurs ont mesuré des variations dans la concentration de Béryllium 10, un isotope radioactif produit par l'action des particules cosmiques sur les atomes d'oxygène ou d'azote de l'atmosphère. Ces travaux, publiés dans le Journal of Geophysical Research, sont un pas important vers la mise au point d'une nouvelle méthode pour étudier l'histoire du champ magnétique terrestre, qui permettra de mieux comprendre sa baisse d'intensité en cours depuis trois millénaires.
Le champ magnétique terrestre forme un efficace bouclier déviant les particules chargées d'origine cosmique qui se dirigent vers nous. Loin d'être constant, celui-ci a connu de nombreuses inversions, le Nord magnétique se retrouvant au pôle Sud géographique. Ces inversions sont toujours accompagnées d'une annulation du champ magnétique. La dernière est survenue il y a 780 000 ans. Le champ magnétique peut aussi connaître des excursions, des périodes où il s'effondre comme s'il allait s'inverser, avant de retrouver sa polarité normale. Le dernier de ces événements, appelé excursion de Laschamp, date d'il y a 41 000 ans.

Ce sont des traces de cet événement que les chercheurs ont retrouvé dans des carottes de sédiments récoltées au large du Portugal et de la Papouasie-Nouvelle Guinée. Dans ces échantillons, ils ont retrouvé des excès de Béryllium 10, un élément produit exclusivement lors de la collision entre particules d'origine cosmique et atomes d'azote ou d'oxygène. Le Beryllium 10 (10Be) produit dans l'atmosphère retombe ensuite à la surface de la Terre où il s'incorpore aux glaces et aux sédiments. Dans les couches correspondant à l'excursion de Laschamp, les chercheurs ont retrouvé jusqu'à deux fois plus de 10Be que le taux normal, témoignant de l'intense bombardement de particules cosmiques qu'a subi la Terre durant plusieurs millénaires.

Classiquement, l'étude de l'histoire du champ magnétique se fait grâce à la présence dans les laves volcaniques, les sédiments ou les poteries antiques de certains oxydes de fer, notamment la magnétite, qui indiquent la direction et l'intensité du champ magnétique existant au moment où ces matériaux se sont figés. Parfois, cette approche, dite paléomagnétique, n'est pas suffisante pour quantifier précisément les variations globales du champ. Les chercheurs ont couplé cette méthode avec la mesure de la concentration de Béryllium 10 sur les mêmes archives sédimentaires. Ils ont ainsi montré que les pics de concentration de cet isotope sont synchrones et présentent la même dynamique et la même amplitude dans les sédiments du Pacifique et de l'Atlantique que dans les glaces carottées au Groenland précédemment analysées. La méthode basée sur le Béryllium 10, affinée depuis 10 ans au CEREGE, permet donc de reconstituer de façon continue les variations d'intensité du champ magnétique terrestre dans sa globalité.

Par ailleurs, on sait que depuis 3000 ans le champ magnétique a perdu 30% de sa force. Cette évolution laisse penser que la Terre pourrait connaître dans les siècles à venir, une excursion semblable à celle survenue il y a 41 000 ans. Les rayons cosmiques de haute énergie pouvant provoquer des mutations et lésions cellulaires, cet événement  ne serait pas sans conséquences sur la biodiversité, et notamment sur l'espèce humaine. Voilà pourquoi les chercheurs veulent connaître précisément les rythmes des séquences d'inversions et excursions du champ magnétique afin de retrouver d'éventuelles régularités dans son comportement, et mieux comprendre ainsi l'origine de ces phénomènes dont le siège est le noyau terrestre. C'est le but du projet Magorb lancé en 2009, avec le financement de l'ANR, et porté par le CEREGE, l'Institut de physique du globe de Paris (IPGP) et le Laboratoire des sciences du climat et de l'environnement (LSCE, CNRS/CEA/UVSQ).

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