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).

Notes :
(1) Cette étude a été pilotée par les chercheurs du Centre de spectrométrie nucléaire et spectrométrie de masse(Université Paris-Sud 11/CNRS) en collaboration étroite avec des chercheurs du Laboratoire de physique des solides (Université Paris-Sud 11/CNRS), de l'Unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l'Université Paris-Sud 11 et de l'Institut d'électronique fondamentale(Université Paris-Sud 11/CNRS).
(2) le cuivre, le titane, le manganèse, le fer, le cobalt, le nickel, etc.
(3) la capacité à conduire le courant électrique sans pertes
(4) le changement de la résistance de plusieurs ordres de grandeur sous application d'un très faible champ magnétique, utilisée dans les disques durs.
(5) la capacité de transformer un gradient de température en énergie électrique, qui pourrait servir à récupérer la chaleur dégagée par un ordinateur pour la réinjecter dans le système sous forme d'énergie (et économiser ainsi la batterie ou l'alimentation).
(6) coexistence de ferroélectricité, ferromagnétisme et/ou ferroélasticité, de quelques oxydes de fer ou de manganèse
(7) de quelques oxydes de titane – qui arrivent même à faire de l'hydrolyse (la décomposition de l'eau en oxygène et hydrogène) en présence de lumière ultraviolette.

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Paris, 9 juillet 2012

La microscopie biphotonique passe à la couleur

La microscopie multiphoton multicouleurs pour l'étude du développement embryonnaire et cérébral.

Des travaux publiés dans la revue Nature Methods par les équipes d'Emmanuel Beaurepaire (Laboratoire d'optique et biosciences (LOB), École Polytechnique, CNRS, Inserm), de Jean Livet (Institut de la Vision, CNRS, UPMC, Inserm) et de Xavier Morin (Institut de Biologie de l'École Normale Supérieure (ENS), CNRS, INSERM), démontrent une nouvelle stratégie de microscopie biphotonique multicouleurs adaptée à l'observation en profondeur de tissus biologiques intacts marqués avec des chromophores distincts, par exemple des protéines fluorescentes de couleurs différentes.
Cette avancée est une évolution de la microscopie multiphotonique, développée à partir des années 90. Elle a ouvert une nouvelle fenêtre pour l'étude du vivant car elle permet d'observer en trois dimensions un tissu biologique intact à une profondeur dépassant la centaine de micromètres.

Cette approche ne permettait pas jusqu'ici d'effectuer efficacement une imagerie « en couleurs », c'est-à-dire d'observer simultanément trois marqueurs différents (par exemple bleu, vert et rouge). C'est ce que la technique développée par les biologistes et physiciens de l'Inserm et du CNRS à l'École Polytechnique permet de faire aujourd'hui.

Dans le domaine de la recherche biomédicale, elle va permettre d'étudier l'architecture et le développement de structures multicellulaires complexes telles que le système nerveux central ou l'embryon en développement, en visualisant simultanément plusieurs paramètres au sein du tissu.

Les chercheurs du LOB ont appliqué cette approche pour visualiser « en couleurs » et en profondeur le développement d'embryons de Drosophile, ainsi que le cerveau ou la moelle épinière de souris et d'embryons de poulet marqués avec la stratégie de marquage transgénique multicouleurs dite 'Brainbow' développée par les équipes de l'Institut de la Vision et de l'ENS. La nouvelle méthode d'imagerie facilite la reconstruction tridimensionnelle et le suivi dynamique des systèmes étudiés. Il devient possible de visualiser à grande échelle l'agencement des cellules neurales et gliales dans le cerveau, le mouvement ou les filiations cellulaires dans l'embryon en développement sur un critère de couleur.

Ce « passage en couleurs » de la microscopie multiphotonique est directement transposable à d'autres problématiques (suivi de cellules en mouvement, imagerie dynamique de la signalisation, etc.) et devrait trouver de nombreuses applications en biologie des systèmes.

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Enquête Accelerateur de particules| Boson
 
Le boson de Higgs enfin démasqué
Le CERN vient de présenter les derniers résultats des expériences menées au sein du LHC. Comme les physiciens s’y attendaient, l’existence du fameux boson vient d’être confirmée et la masse de la particule déterminée. Et tout cela est parfaitement compatible avec le Modèle standard.

Par Yaroslav Pigenet, le 03/07/2012 (Mis à jour le 06/07/2012)

  Le LHC (Large Hadron Collider) « Nous avons observé un nouveau boson ! » C'est par cette litote que Joe Incadela, responsable de l’expérience CMS du LHC, a confirmé que la longue traque du boson de Brout-Englert-Higgs venait d’entrer dans une nouvelle phase. Désormais la fameuse particule n’est plus seulement une entité théorique, sa réalité physique a enfin été démontrée par l’expérience et sa masse estimée aux alentours de 125 GeV/c2. Même si la nouvelle était attendue, le petit monde de la physique est enthousiaste devant cette (nouvelle) confirmation expérimentale du Modèle standard. « Il s’agit d’un résultat très préliminaire, mais nous pensons qu’il est très significatif, très robuste », a notamment expliqué Joe Incandela au cours de la conférence organisée le 4 juillet au CERN pour présenter ces résultats.
Une particule clé
L’existence du boson de Higgs a été prédite dès 1964, non seulement par Peter Higgs, mais aussi, indépendamment, par les physiciens Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Tom Kibble, Robert Brout et François Englert. Cette particule, jusqu’ici hypothétique, donnerait naissance au champ de Higgs, dans lequel « baignerait » l’Univers entier et qui conférerait aux autres particules leur masse spécifique.

À ce titre, le Higgs est à la fois la clé de voûte et l’ultime pièce manquante du Modèle standard de la physique des particules. En effet, bien que prédite par la théorie, cette particule élémentaire n’avait jusqu’ici jamais été observée expérimentalement, contrairement à toutes les autres particules postulées par ce même modèle.
Le Modèle standard, c'est quoi ?
  Les particules du Modèle standard La matière qui nous entoure est constituée de particules élémentaires décrites avec un haut degré de précision par une théorie appelée « Modèle standard ». Développé dans la deuxième moitié du XX ème siècle, ce dernier prévoit l'existence de douze particules ( et de leur douze antiparticules) qui composent la matière, les fermions, et treize autres particules, les bosons, qui assurent sa cohésion. Toutes les particules élémentaires prédites par le modèle ont fini par être observées. Toutes sauf une, qui résiste encore et toujours aux expérimentateurs : le boson de Higgs. Et c'est là que le bât blesse. Jusque là cantonnée au statut d'objet mathématique, cette particule est la clé de voûte du Modèle standard. Elle permet d'expliquer certaines incohérences mathématiques et mène à une théorie consistante et extrêmement précise sur le plan prédictif. Le défi du plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC, est justement de détecter la présence du Higgs et prouver ainsi sa réalité physique. Si Higgs existe, alors le Modèle standard sera validé, unifiant ainsi les trois forces fondamentales de l'infiniment petit : les interactions forte, faible et électromagnétique... mais toujours pas la gravitation, qui régit l'infiniment grand.

C’est le franchissement de ce seuil de significativité statistique qui vient juste d’être annoncé par les responsables des expériences ATLAS et CMS dont les résultats seront prochainement publiés. Mieux, les deux expériences, menées indépendamment, parviennent à une estimation similaire de la masse du boson de Higgs, ce qui renforce leur validité. A savoir, 125,3 GeV/c2 selon l’expérience CMS, et 126,5 GeV/c2 selon l’expérience ATLAS, soit 133 fois la masse du proton, en total accord avec les masses prévisibles par le Modèle standard.
Juste un boson ?
  Désintégration d'un candidat boson de Higgs La quantité totale de données collectées et analysées par ATLAS ayant doublé depuis décembre, il paraissait donc assez probable que ce seuil statistique fatidique serait enfin franchi et que le CERN pourrait annoncer LA détection du fameux boson. Et justifier ainsi les 8,9 milliards € qu’a coûté la construction du LHC.  Mais même si on comprend Peter Higgs, 83 ans, qui considère que cette confirmation expérimentale « est la chose la plus incroyable qui soit arrivée dans sa vie », on ne peut s’empêcher de noter que la « percée » annoncée pour cette conférence consiste plutôt à confirmer et affiner une découverte prévue depuis longtemps. Comme l’a reconnu Fabiola Gianotti, responsable d’Atlas, « ceci n’est qu’un début, nous aurons besoin de plus de données pour commencer à comprendre la nature de cette particule ». Des données qui  permettront peut-être de parachever, mais aussi de dépasser voire d’invalider un Modèle standard dont, à l’instar du mathématicien Alain Connes, « personne ne pense qu’il est le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient ».   
Yaroslav Pigenet, le 03/07/2012 | Mis à jour le 06/07/2012

La discrimination par la désintégration
Cela fait maintenant trois ans que les chercheurs traquent les traces de ce boson dans les débris laissés par les collisions entre protons accélérés par le LHC à des vitesses proches de celle de la lumière.

Le Higgs ayant une existence bien trop brève pour être détecté directement, seuls les produits de sa désintégration – d’autres particules élémentaires – peuvent attester de sa présence et dévoiler ses caractéristiques inconnues, notamment sa masse. La principale difficulté étant de distinguer, au milieu de la soupe de particules produite à chaque collision, celles qui proviennent effectivement de la désintégration du Higgs de celles qui découlent d’autres phénomènes parasites générés par la collision. Sachant, en outre, que le Higgs peut emprunter plusieurs trajectoires de désintégration, donnant chacune des produits différents, et que la probabilité de chacune de ces trajectoires dépend de la masse du boson… que l’on ne connaît pas a priori.
Une existence statistique
  Simulation d'une détection de boson de Higgs Ainsi un Higgs doté d’une masse de 100 GeV/c2 a une faible probabilité de se décomposer en deux bosons W, mais cette probabilité est beaucoup plus importante si le Higgs « pèse » 170 GeV/c2. Bref, la détection et la caractérisation du Higgs reposent sur un raisonnement statistique exploitant les données collectées pour des millions de collisions successives, et non sur une identification formelle à 100%. Cette méthode statistique a permis aux chercheurs de réduire peu à peu, expérience après expérience, l’éventail des masses possibles pour le Higgs.
Des GeV qui en font des tonnes
En physique des particules, l’électron-volt (eV) est une unité d’énergie beaucoup plus pratique à utiliser que le joule du système international (1eV= 1,60217653×10-19 J). De même, en raison de l’équivalence masse/énergie (E=mc2 donc m=E/c2) démontrée par la relativité restreinte d’Einstein, pour des raisons de commodité, on exprime la masse en électron-volt/c2 (eV/c2) plutôt qu’en kilogramme.    

Par exemple, l’ancêtre de LHC, le LEP, a permis d’exclure une masse du Higgs inférieure à 114,4 GeV/c2. Une estimation complétée par les derniers résultats fournis par l’accélérateur Tevatron, qui interdisent toute masse comprise entre 147 et 179 GeV/c2 et situent le Higgs dans l’intervalle 115-135 GeV/c2 avec un risque d’erreur de 3%. Enfin, en décembre 2011, les expériences ATLAS et CMS du LHC ont observé des signaux cohérents indiquant la présence d’un Higgs d’une masse de 124 à 126 GeV/c2. La probabilité d’erreur était cette fois ramenée à 0,2%. Le Graal était donc presque à portée, mais en physique des particules, pour affirmer une découverte, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00003%.

Le 4 juillet 2012 à 15h54

Un nouveau boson découvert au Cern : le Higgs, peut-être...

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences Share on joliprintPDF  Partager C’est un boson, le plus lourd jamais découvert dans un accélérateur de particules et on observe les conséquences de son existence dans les deux détecteurs géants du LHC. Voici l'annonce du Cern, tant attendue. Avec une masse d’environ 126 GeV, il s’agit très probablement du boson de Higgs supposé être à l’origine des masses des particules élémentaires. Mais il reste du travail pour déterminer s’il possède bien les propriétés du boson de Higgs ou s’il s’agit d’une particule radicalement nouvelle.
Parcourez notre dossier complet sur le boson de Higgs
Tout le monde attendait la conférence de ce matin du 4 juillet 2012 au Cern, annonçant les derniers résultats de la chasse au boson de Higgs. Avait-on enfin découvert la mythique particule censée expliquer l’origine des masses des quarks et des leptons du modèle standard et plus précisément celles des particules médiatrices des forces du modèles électrofaibles ? Les rumeurs de la découverte de ce boson allaient bon train mais la seule chose certaine était que quatre des six physiciens ayant introduit le mécanisme dit de Brout-Englert-Higgs en 1964 seraient bien présents pour écouter ce que les deux porte-paroles des expériences phares du LHC allaient dire.
C’est Joe Incandela qui a pris la parole le premier, au nom de la collaboration CMS, puis ce fut le tour de Fabiola Gianotti pour Atlas. Dans les deux cas l’émotion a saisi l’assemblée ainsi bien sûr que tous les physiciens suivant le séminaire sur Internet, lorsque les deux chercheurs ont dévoilé les résultats des analyses faites.

En rouge on voit la trajectoire de 4 muons dans le détecteur Atlas, résultant très probablement de la désintégration d'un boson de Higgs. © ATLAS, Collaboration-Cern
Il y a très peu de doute que les détecteurs Atlas et CMS aient effectivement permis de découvrir une nouvelle particule dans les produits de collisions de faisceaux de protons durant les années 2011 et 2012 au Cern. Dans les deux cas, il s’agit d’un boson dont la masse est d’environ 126 GeV et qui se désintègre en d’autres particules selon des réactions similaires. On observe ainsi des paires de photons gamma et des quadruplets de leptons (comme des muons ou des électrons), ainsi que d’autres produits de désintégrations.
Un boson dont l'identité est encore incertaine
Surtout, si l’on compare les deux détecteurs à deux appareils de réception radio cherchant à écouter une station à une fréquence donnée au-dessus d’un bruit de fond, la musique qu’ils écoutent maintenant est devenue beaucoup plus clairement audible. En termes techniques, on dit que le signal est au-dessus du bruit de fond à 5 sigma dans les deux appareils. C’est un peu comme si on écoutait une partie d’une symphonie de Mozart et qu’il n’y ait que 0,00003 % de chance environ que des fluctuations dans le bruit de fond aient reproduit par hasard ce morceau de musique.

John Ellis, le grand physicien théoricien, répond à la question : qu'est-ce que le boson de Higgs et comment le recherche-t-on ? © CernTV, YouTube
Cinq sigma, c'est le seuil que l'on doit atteindre, dans deux appareils de détections différents, pour éviter des erreurs systématiques, et pouvoir affirmer avoir fait une découverte en physique. Peut-on dire pour autant que l'on a découvert le boson de Higgs ?
Pas encore....
Cependant, comme le dit le directeur de la recherche du Cern, Sergio Bertolucci : « Il est difficile de ne pas s’enthousiasmer. Nous avions dit l’année dernière qu'en 2012, soit nous trouverions une nouvelle particule semblable au boson de Higgs, soit nous exclurions l’existence du Higgs du modèle standard. Avec toute la prudence qui s’impose, nous nous trouvons, il me semble, à un croisement : l’observation de cette nouvelle particule nous montre la voie à suivre dans l’avenir pour mieux comprendre ce que nous observons dans les données ». Ce à quoi Rolf Heuer, le directeur général du Cern, a ajouté : « Nous avons franchi une nouvelle étape dans notre compréhension de la nature. La découverte d’une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs ouvre la voie à des études plus poussées, exigeant davantage de statistiques, qui établiront les propriétés de la nouvelle particule ; elle devrait par ailleurs lever le voile sur d’autres mystères de notre univers ».
Futura-Sciences reviendra bientôt plus en profondeur sur cette découverte.

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