Paris, 29 septembre 2011

L'atmosphère de Mars sursaturée en vapeur d'eau

L'analyse des données recueillies par le satellite Mars Express de l'ESA, est formelle : l'atmosphère de la planète Mars contient de la vapeur d'eau en état de sursaturation. Cette découverte surprenante va permettre aux scientifiques de mieux comprendre le cycle de l'eau sur Mars ainsi que l'évolution de l'atmosphère de la planète rouge. Menée par une équipe du Laboratoire Atmosphères, milieux, observations spatiales (LATMOS, CNRS / UPMC / UVSQ), en collaboration avec des collègues russes et français (1), cette étude a bénéficié du soutien du CNES. Elle est publiée dans la revue Science le 30 septembre 2011.
Sur Terre, la vapeur d'eau tend à se condenser – c'est-à-dire à devenir liquide - quand la température descend en-dessous du « point de condensation ». On parle d'une atmosphère « saturée » car elle ne peut contenir plus d'humidité à cette température et à cette pression. L'excédent de vapeur d'eau se condense alors autour de particules et de poussières en suspension pour former des précipitations. Cependant, il arrive que la condensation soit fortement ralentie, notamment quand particules et poussières sont trop rares. Incapable de se condenser, la vapeur d'eau en excès  reste alors sous forme gazeuse : c'est ce qu'on appelle la « sursaturation ». Jusqu'à présent, on supposait qu'un tel phénomène ne pouvait exister dans l'atmosphère martienne, sans toutefois pouvoir le prouver.

En effet, si plusieurs sondes ont visité Mars depuis les années 70, la plupart de leurs instruments se sont concentrés sur les données de surface : ils ont appréhendé l'atmosphère martienne uniquement dans sa composante horizontale. La question de la concentration en eau en fonction de l'altitude restait donc quasi inexplorée pour Mars. Les relevés effectués par le spectromètre SPICAM (2) embarqué à bord du satellite Mars Express ont aujourd'hui permis de combler cette lacune. En effet, SPICAM peut établir des profils verticaux de l'atmosphère par occultation solaire, c'est-à-dire en scrutant la lumière du Soleil qui traverse l'atmosphère de la planète durant son lever et son coucher.

Contrairement à ce qui était établi, les chercheurs ont découvert que la sursaturation en vapeur d'eau est un phénomène fréquent sur Mars. Ils ont même relevé dans l'atmosphère martienne des niveaux de sursaturation très élevés, jusqu'à plus de dix fois supérieurs à ceux rencontrés sur Terre. « Cette capacité de la vapeur d'eau à subsister en état de forte sursaturation permettrait, par exemple, d'alimenter l'hémisphère Sud de Mars en eau bien plus efficacement que ne le prédisent les modèles actuellement », précise Franck Montmessin, chercheur CNRS au LATMOS et responsable scientifique de SPICAM (3). De plus, une quantité de vapeur d'eau, bien plus importante qu'estimée jusqu'alors, pourrait être transportée assez haut dans l'atmosphère pour y être détruite par photodissociation (4). Ce phénomène, s'il se confirme, aurait des conséquences sur la problématique de l'eau martienne, dont on sait qu'une fraction notable s'échappe continuellement vers l'espace depuis des milliards d'années, expliquant en partie la faible abondance actuelle d'eau sur la planète « rouge » (5).

La distribution verticale de vapeur d'eau est un facteur clé dans l'étude du cycle hydrologique de Mars. L'hypothèse selon laquelle la quantité d'eau dans l'atmosphère martienne est limitée par le phénomène de saturation doit donc être entièrement révisée. Cette découverte a des implications majeures sur la compréhension du climat de la planète rouge ainsi que sur celle du transport de l'eau sur Mars.

DOCUMENT           CNRS              LIEN

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.

Références :
Two-dimensional electron gas with universal subbands at the surface of SrTiO3, A. F. Santander-Syro, O. Copie, T. Kondo et al. Nature, 13 janvier 2011.

DOCUMENT          CNRS          LIEN

Les alliages métalliques pour conditions extrêmes

Les métaux et leurs alliages ont toujours joué un rôle primordial dans le développement de nos sociétés. Ils ont toujours contribué à la résolution de bon nombre de problèmes de société incontournables. Plutôt que de faire un inventaire, on s'efforcera de montrer les diverses étapes à franchir dans le développement d'un alliage métallique destiné à remplir une fonction donnée. On illustrera également les développements des grandes disciplines (Chimie, Physique, Mécanique, Simulation Numérique) qui ont largement contribué à la métallurgie. A cet effet, on rappellera tout d'abord les spécificités physiques des métaux et alliages métalliques. On montrera à ce propos comment il a été possible de profiter de certains traits spécifiques favorables et de surmonter quelques handicaps, comme la densité. Parmi les situations extrêmes envisagées, on se restreindra à celles qui font appel à la résistance mécanique des métaux et des alliages métalliques en traitant successivement le cas des très basses températures (transport de gaz liquéfiés), des très grandes vitesses de déformation (" crash " automobile), des températures élevées (turbines aéronautiques) et celui de l'irradiation aux neutrons (réacteurs électronucléaires). On conclura en envisageant un certain nombre d'applications pour lesquelles le développement de nouveaux alliages métalliques reste un verrou technologique et pose de réels défis scientifiques et techniques.

CONFERENCE           CANAL  U           LIEN

Pourquoi les particules ont une masse ?

Le monde des particules élémentaires et de leurs interactions est décrit par ce qu'on appelle le Modèle Standard. L'auteur rappellera les propriétés des constituants de la matière, et les mystères qui demeurent, en particulier concernant leurs masses. Les grands principes d'invariance qui sont à la base du Modèle Standard seront expliqués. Conduisant à un monde de particules de masse nulle, ils doivent être complétés par un mécanisme de génération de ces masses, comme le mécanisme de Higgs. Ce mécanisme sera décrit, en s'appuyant sur diverses analogies avec des effets plus familiers. Les propriétés du vide quantique seront progressivement dégagées et la notion d'évolution, avec l'énergie, des grandeurs décrivant particules et interactions apparaîtra. L'extension du Modèle Standard à sa version super symétrique sera présentée, ainsi que la compréhension accrue qu'il apporte. Des solutions alternatives seront mentionnées. Les recherches du boson de Higgs, ou des effets liés à un mécanisme de ce genre, faites actuellement au LEP et à venir au LHC, seront décrites. Quelques spéculations plus lointaines seront brièvement évoquées.

CONFERENCE            CANAL  U           LIEN