Cinq jeunes chercheurs lauréats de l’ERC

Projet : MANYBO - Effets quantiques collectifs pour des atomes froids plongés dans un champ magnétique artificiel

Par des méthodes de refroidissement et piégeage par laser, il est possible d’amener un nuage d’atomes à des températures très proches du zéro absolu. On observe alors des effets quantiques collectifs : phénomènes de condensation de Bose-Einstein et de dégénerescence de Fermi selon la nature des particules. Dans ces systèmes, l’expérimentateur est en mesure de modifier de nombreux paramètres de manière fine et contrôlée. Il est ainsi possible de simuler des situations analogues à celles que l’on rencontre dans la matière condensée.

Dans ce projet, nous proposons d’étudier l’effet d’un champ magnétique sur la matière condensée en utilisant des gaz quantiques. Des études théoriques indiquent que dans une telle situation, le gaz atomique devrait former des états particulièrement intéressants du point de vue fondamental : les “états de Hall quantique”. Un tel système offre également la possibilité de simuler d’autres effets présents par exemple dans des matériaux semi-conducteursimportants en physique des solides. L’objectif du projet MANYBO est de mettre ces effets en évidence et de les caractériser par des méthodes optiques complémentaires à celles utilisées en physique des solides.

Portrait Après des études d’ingénieur à l’Ecole Centrale de Paris, Fabrice Gerbier a effectué sa thèse au Laboratoire Charles Fabry sous la direction d’Alain Aspect et Philippe Bouyer, en étudiant la thermodynamique et les propriétés de cohérence de gaz quantiques dégénérés quasi-unidimensionnels (2003). Il effectue ensuite un post doctorat dans l’équipe d’Immanuel Bloch à l’université de Mayence (Allemagne), où il étudie la physique de la transition superfluide-isolant de Mott observée dans les réseaux optique. Fabrice Gerbier entre alors au Laboratoire Kastler Brossel en 2006 comme chargé de recherche CNRS. Depuis, il travaille sur la réalisation d’états corrélés de condensats spineurs. Il est lauréat du prix Louis Armand de l’Académie des Sciences en 2005

Projet « Nanobrain » : « Nano-synapses artificielles et réseaux de neurones sur puce à base de dispositifs memristors »

En une fraction de seconde, notre cerveau interprète des films ou photographies. Cette tâche, apparemment simple est pourtant encore hors de portée des ordinateurs les plus puissants. Informaticiens, neuro-physiciens, concepteurs de circuits reconnaissent aujourd’hui que la puissance de calcul n’est pas tout : l’architecture du calculateur est essentielle. Le cerveau humain est constitué d’environ cent milliards de neurones, des unités de calcul qui fonctionnent en parallèle ; la connectivité est très grande, avec en moyenne dix mille synapses connectant chaque neurone à d’autres neurones et surtout, le réseau est plastique : les connexions entre neurones ne sont pas rigides mais évoluent, ce qui permet l’apprentissage. Pour réaliser un calculateur dont la connectivité s’approche de celle du cerveau, il est indispensable de disposer de l’équivalent électronique des synapses. Pour cela, de nouveaux composants électroniques, les memristors semblent adaptés : ce sont de minuscules résistances, non-volatiles (mémoire) et dynamiques (plasticité).

Dans ce contexte, le projet Nanobrain vise deux objectifs : fabriquer des composants memristors nanométriques, basés sur des principes physiques nouveaux, utilisant la spintronique et la ferroélectricité, et prouver le potentiel de ces composants en tant que synapses en les intégrant dans des réseaux de neurones artificiels sur puce.

Portrait Julie Grollier, 35 ans, est ingénieur de l’Ecole Supérieure d’Electricité et diplômée de l’Ecole Normale Superieure de Cachan. Sa thèse, réalisée sous la direction d’Albert Fert et soutenue en 2003 porte sur le « Renversement d’aimantation par injection d’un courant polarisé en spin ». Ce phénomène de spintronique permet de contrôler par un courant électrique la direction d’une aimantation dans des nano-objets. Julie Grollier effectue ensuite deux post doctorats pendant lesquels elle s’intéresse à la dynamique de l’aimantation de nano-aimants : tout d’abord à l’Université de Groningen au Pays Bas puis à l’Institut d’Electronique Fondamentale d’Orsay. En 2005 elle est recrutée comme chargée de recherche à l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales. Elle y anime avec son collègue Vincent Cros le thème « Dynamique hyperfréquence par transfert de spin ». Elle a obtenu en 2010 le prix Jacques Herbrand de l’Académie des Sciences.

Contact Julie Grollier | T. 01.69.41.58.61

Projet : (NANOSPEC) Spectroscopies hors-équilibre pour explorer la physique quantique des nanocircuits

Lorsque l’on réduit la taille des circuits électriques, de nouveaux phénomènes électriques, tels l’effet Hall quantique, apparaissent. Ces nouvelles propriétés, associées à la nature quantique des électrons sont potentiellement intéressantes pour réaliser de nouveaux composants nanoélectroniques. L’objectif du projet est d’explorer ces phénomènes et de développer de nouvelles stratégies pour en contrôler les caractéristiques. Il s’agira notamment de développer et d’utiliser de nouvelles techniques spectroscopiques pour déterminer les transferts d’énergie dans les nanocircuits électriques. Les effets Hall quantiques entiers et fractionnaires seront les premiers effet à être analysés. Ces régimes présentent une grande variété de phénomènes à N corps intrigants, et sont d’un intérêt particulier pour leurs applications métrologiques, actuellement pour maintenir le standard de l’Ohm, et pour leur potentiel en information quantique, notamment pour réaliser des bits d’information quantique très robustes. Il s’agira aussi d’explorer les mécanismes inélastiques, qui déterminent la taille caractéristique des circuits dans lesquels les effets quantiques cohérents peuvent être mis en œuvre.

Portrait Frédéric Pierre, 35 ans, expérimentateur, a effectué une thèse en 1997-2000 dans le groupe Quantronique au Service de Physique de l’Etat Condensé (CEA, Saclay) sur les mécanismes de décohérence quantique des électrons dans les conducteurs métalliques. Il effectue ensuite un post-doctorat sur ce thème en 2000-2002, dans le groupe de Norman Birge à Michigan State University (USA). En 2002-2003, dans le groupe de Michel Devoret à l’université de Yale (USA), il participe à la mise au point d’un nouvel amplificateur adapté à la détection de signaux quantiques. Début 2004, il rejoint en tant que chargé de recherche du CNRS le groupe PhyNano au Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis). Il y a initié deux lignes de recherche sur les lois quantiques de l’électricité et sur la physique hors équilibre dans les circuits mésoscopiques. Auteur de 32 publications dans des revues internationales à comité de lecture, il a donné plus de 40 conférences invitées. Pour ces travaux, il a reçu la médaille de bronze du CNRS en 2008.

Contact Frédéric Pierre | T. 01 69 63 61 03

Projet : Gaz quantique de basse dimensionnalité et haute température dans des nanostructures semiconductrices

Une des manifestations les plus spectaculaires de la mécanique quantique, est le phénomène de condensation de Bose-Einstein. Pour réaliser ce phénomène expérimentalement, il faut disposer d’un gaz de particules de spin entier - un gaz dilué d’atomes de Rubidium par exemple – et il faut le refroidir jusqu’à une certaine température critique. En dessous de cette température, on observe alors un changement abrupt de ses propriétés macroscopiques : le gaz se comporte soudainement comme une onde cohérente étendue sur l’ensemble du système. Depuis quelques années, un gaz de Bose aux caractéristiques très originales peut être généré dans des nanostructures semiconductrices, avec des températures critiques élevées et des propriétés thermodynamiques particulières. Il s’agit des polariton-excitoniques. Dans ce projet, nous proposons d’exploiter les avancées récentes en terme de nanofabrication des semiconducteurs pour contrôler et manipuler spatialement des condensats de polariton-excitoniques, à des températures pouvant atteindre la température ambiante. Ces nouvelles possibilités permettent d’explorer expérimentalement des situations où les théories usuelles des gaz de Bose dégénérés ne sont plus valides.

Portrait Maxime Richard a réalisé son travail de doctorat sous la direction de Le Si Dang et Robert Romestain au laboratoire de Spectrométrie Physique à Grenoble. Il a soutenu sa thèse en 2004, dans laquelle il s’est intéressé aux premières signatures de dégénérescence quantique dans des gaz de polariton-excitoniques en microcavités semiconductrices. Il a ensuite réalisé un séjour postdoctorale à l’EPFL à Lausanne (Suisse) dans le groupe de Benoît Deveaud-Plédran jusqu’en 2008, où avec ses collaborateurs, il a apporté la première démonstration expérimentale de la condensation de Bose-Einstein de polaritons excitonique. Il occupe aujourd’hui un poste de chercheur à l’Institut Néel à Grenoble.

Contact Maxime Richard | T. 04 56 38 70 44

Projet : AloGlaDis - De la localisation d’Anderson aux verres de Bosons, Fermions et spins dans les gaz ultrafroids désordonnés

Loin de se limiter à des effets perturbatifs, le désordre modifie profondément la physique de nombreux systèmes en physique de la matière condensée. Ainsi, un métal normal peut-il devenir isolant en présence d’impuretés, même en très faible quantité. Cet effet spectaculaire, dit de localisation d’Anderson, n’a pu être compris qu’au prix de développements théoriques sophistiqués qui ont pris plus de vingt ans. Aujourd’hui, le défi est de comprendre le comportement de systèmes plus complexes tels que les supraconducteurs ou des matériaux magnétiques.

La description théorique de ces systèmes se heurte toutefois encore à des difficultés majeures. Ainsi, comprendre les effets combinés du désordre et des interactions entre particules, qui tous deux entrent en jeu dans ces systèmes, reste l’un des défis les plus difficiles de la physique de la matière condensée.

Le projet AloGlaDis se propose d’étudier ces questions dans le cadre des atomes ultrafroids. Il visera à explorer théoriquement comment utiliser ces systèmes remarquablement bien contrôlés pour mieux comprendre les effets du désordre dans les systèmes corrélés, de la localisation d’Anderson à N corps aux verres de spin. Des techniques modernes, à l’interface de la physique de la matière condensée et de la théorie de l’information quantique, seront notamment développées dans ce but.

Portrait Laurent Sanchez-Palencia est ancien élève de l’Ecole Polytechnique. Son doctorat, soutenu en 2003 sous la direction de Gilbert Grynberg et Jean Dalibard au laboratoire Kastler Brossel, portait sur la dynamique d’atomes froids dans des réseaux optiques. Après un séjour post-doctoral dans le groupe de Maciej Lewenstein à Hanovre (Allemagne) où il étudie les gaz quantiques désordonnés, il est recruté en 2004 comme chargé de recherche au Laboratoire Charles Fabry dans le groupe d’Alain Aspect. Il y a créé en 2006 et dirige depuis lors l’équipe de Théorie des Gaz Quantiques Atomiques. Ses travaux de recherche portent sur les effets du désordre dans les gaz quantiques, en particulier sur la localisation d’Anderson, le magnétisme et les effets des interactions dans les systèmes de bosons ou fermions désordonnés.

Contact Laurent Sanchez-Palencia | T. 01 64 53 33 47 Voir sa page personel