Institut de physique - CNRS

Quand la préparation d'un mélange précédant la synthèse détermine la forme et la taille de nanoparticules

Simon Jumel — 2012-12-28T11:10:00Z

Des chimistes et physiciens ont montré que lors de la formation de nanocristaux de cobalt, la forme et la taille des nanoparticules synthétisées sont déterminées par la vitesse d'addition des réactifs lors de la préparation de la solution-mère, c'est-à-dire lors de l'étape précédant la véritable formation des particules. En plus d'avoir mis en lumière le phénomène, les chercheurs ont entièrement décrit le mécanisme chimique qui entre en jeu.

Lors de la synthèse de nanocristaux, de petites variations dans les paramètres de réaction peuvent altérer de manière importante les caractéristiques des nanoparticules produites. Des chercheurs du laboratoire de physique et chimie de nano-objets – LPCNO (CNRS – INSA Toulouse – Univ. Toulouse 3), du laboratoire de Chimie de Coordination – LCC (CNRS), du Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales – CEMES (CNRS), de l'Institut Italien de Technologie et de l'Université d'Athènes viennent de montrer que les produits de la synthèse de nanocristaux de cobalt peuvent présenter de grandes différences même lorsque les conditions de synthèse sont parfaitement identiques. Le facteur qui détermine la taille et la forme de ces cristaux est la vitesse d'addition des réactifs pendant la préparation de la solution-mère. Pourtant, les nanoparticules se forment bien après ce mélange, lors d'une étape ultérieure de chauffage à 150°C sous pression d'hydrogène. L'origine de cet effet mémoire est l'inactivation du principal ligand de stabilisation lors du mélange initial. Ce travail, qui apporte une contribution à l'explication de la non reproductibilité de certaines synthèses, est publié dans le Journal of the American Chemical Society (JACS).

En effectuant la synthèse de nanocristaux de cobalt à partir d'un mélange de [Co(N(SiMe₃)₂)₂(thf)], d'hexadecylamine et d'acide laurique, les chercheurs ont constaté la production de nanoparticules de tailles et de formes très différentes alors que les concentrations respectives des réactifs et les conditions de la réaction de réduction étaient identiques. Lors de l'analyse des produits de la réaction et des intermédiaires moléculaires, ils ont découvert que le paramètre déterminant est la vitesse d'addition du précurseur métallique [Co(N(SiMe₃)₂)₂(thf)] : cette cinétique déclenche une réaction parasite qui n'avait pas été anticipée entre le précurseur et un des ligands stabilisants ajoutés qui servent à moduler la réactivité de ce précurseur métallique. Une partie de ces ligands stabilisants se désactivent en se transformant en une molécule ne pouvant pas stabiliser le cobalt. La vitesse d'addition du précurseur de cobalt sur les ligands supplémentaires détermine donc la quantité de stabilisant désactivé. Ainsi, le mélange « innocent » des réactifs, qui a lieu à température ambiante pendant la préparation de la solution mère en amont de la réaction, devient le paramètre clé pour le contrôle de la taille et de la forme des nanocristaux. Ceci démontre qu'un effet à priori insignifiant peut faire basculer totalement la synthèse de nano-objets complexes et apporte une contribution à l'explication de la non reproductibilité de certaines synthèses.

: a) Nano-multipodes suite au mélange rapide entre le précurseur du cobalt et un mélange d'héxadecylamine et d'acide laurique.
b) Nanoparticules plus petites et de formes irrégulières qui se forment quand l'addition est plus lente.

En savoir plus

The Big Impact of a Small Detail : Cobalt Nanocrystal Polymorphism as a Result of Precursor Addition Rate during Stock Solution Preparation, N. Liakakos¹, B. Cormary¹, X. Li^1,2, P. Lecante³, M. Respaud¹, L. Maron¹, A. Falqui⁴, A. Genovese⁴, L. Vendier², S. Koïnis⁵, B. Chaudret¹ et K. Soulantica¹, JACS (2012).

Contact chercheur

Katerina Soulantica, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

¹ Laboratoire de physique et chimie de nano-objets (LPCNO), CNRS – INSA Toulouse – Univ. Toulouse 3

² Laboratoire de Chimie de Coordination (LCC), CNRS - Université de Toulouse

³ Centre d'élaboration de matériaux et d'études structurales (CEMES), CNRS

⁴ Nanochemistry, Instituto Italiano di Tecnologia, Genova

⁵ Department of Inorganic Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Athens

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr

Comment les réarrangements ralentissent dans un empilement lâche de bulles

Simon Jumel — 2012-12-28T11:00:00Z

Dans une mousse, le vieillissement, par exemple la disparition de bulles, provoque des réorganisations structurales. Lorsque la proportion de liquide interstitiel augmente, les bulles sont pressées moins fortement les unes contre les autres : l'empilement est moins bloqué et les réarrangements ralentissent considérablement.

Lorsque l'on fabrique une mousse, les bulles de gaz montent à la surface tandis que le liquide est drainé. Les bulles forment un empilement dense et se gênent les unes les autres : leur arrangement est bloqué. Puis, comme le gaz contenu dans les bulles est soluble, il traverse les parois liquides, de sorte que les petites bulles se vident progressivement dans les grosses. Ces changements de taille désorganisent l'empilement au cours du vieillissement, et provoquent des réarrangements structuraux intermittents. Des physiciens de l'Institut des Nanosciences de Paris - INSP (CNRS - UPMC) ont mesuré la durée de ces réarrangements et étudié comment elle dépend de la viscosité du liquide, de la taille des bulles et de la pression de confinement de l'empilement. Ils ont montré que plus l'empilement est lâche, plus les réarrangements sont lents. La dynamique des bulles devient alors analogue à celle de grains solides dans une suspension concentrée. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters, contribue à la compréhension quantitative des mécanismes en jeu dans le vieillissement et dans la rhéologie des milieux mous désordonnés (mousses, émulsions, suspensions concentrées, pâtes) utilisés dans de nombreuses applications, comme la production du pétrole ou le traitement des eaux.

Les physiciens ont produit une mousse en injectant des bulles d'azote d'une centaine de micromètres de diamètre dans une solution aqueuse de tensioactifs, additionnée de glycérol afin d'en ajuster la viscosité. Au fur et à mesure de la formation de la mousse, le liquide présent entre les bulles est drainé, et cela d'autant plus que la colonne de mousse est haute. A la base de la colonne, les bulles sont quasi sphériques et peu comprimées. Au sommet, la teneur en liquide est plus faible : les films sont minces et quasi plans et les bulles sont fortement comprimées les unes contre les autres. En variant la hauteur de l'échantillon de quelques millimètres à quelques centimètres, les physiciens contrôlent la pression à sa surface. Les multiples réflexions et réfractions de la lumière sur les interfaces liquide-gaz rendent la mousse opaque, empêchant l'observation directe des réarrangements. Pour pallier cette difficulté, les chercheurs ont éclairé la mousse par un laser et analysé les fluctuations temporelles de la figure d'interférences formée par la lumière rétrodiffusée après une marche aléatoire à travers la mousse. L'analyse des corrélations de fluctuations permet d'identifier les réarrangements individuels et d'en déterminer la durée. Les mesures mettent en évidence que la dynamique de réarrangement dans une mousse où les bulles sont à peine bloquées (quasi-sphériques, donc) est analogue à la dynamique au sein d'une suspension concentrée de grains durs. La durée des réarrangements, de l'ordre de la dizaine de millisecondes, est alors pilotée par la compétition entre la pression de confinement, qui détermine les forces de contact entre bulles, et l'écoulement visqueux dans les canaux liquides. Pour explorer la situation dans laquelle les bulles ne sont pas bloquées, des conditions de microgravité sont nécessaires pour éliminer la poussée d'Archimède qui regroupe et compacte toutes les bulles à la surface du fluide : une expérience analogue est prévue en 2015 sur la Station Spatiale Internationale dans le cadre d'un projet européen (ESA et CNES).

: Images successives d'une mousse après une durée t de mûrissement. Initialement ordonnée et quasi monodisperse, elle devient progressivement désordonnée et polydisperse.

En savoir plus

Bubble Rearrangement Duration in Foams near the Jamming Point, M. Le Merrer¹, S. Cohen-Addad^1,2 et R. Höhler^1,2, Physical Review Letters 108, 188301 (2012).

Contact chercheur

Marie Le Merrer, post-doctorante

Informations complémentaires

¹ Institut des Nanosciences de Paris (INSP), CNRS - UPMC

² Laboratoire de Physique des Matériaux Divisés et des Interfaces (LPMDI), Université Paris-Est Marne-la-Vallée

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Atomes dans le désordre : en arrière toute !

Simon Jumel — 2012-12-26T11:00:00Z

En étudiant l'évolution d'ondes de matières dans un champ de lumière désordonnée, des physiciens viennent de mettre en évidence une signature macroscopique des effets d'interférences dans la propagation de ces ondes dans un milieu aléatoire : leur diffusion renforcée vers l'arrière.

Lorsque des particules se déplacent dans un milieu désordonné, leur vitesse est modifiée de manière aléatoire. La mémoire de la direction initiale du mouvement est perdue progressivement : c'est le phénomène de diffusion. A très basse température, lorsqu'il devient nécessaire de décrire ces particules de façon quantique, au moyen d'ondes de matière, un nouvel effet physique vient s'ajouter à ce phénomène de diffusion : les interférences entre des ondes ayant suivi des chemins différents. Une expérience réalisée au laboratoire Charles Fabry - LCF (CNRS - Institut d'Optique Graduate School) vient de mettre en évidence une signature de ces interférences en étudiant des atomes ultra-froids évoluant dans un champ lumineux aléatoire désordonné : l'apparition d'un « pic de rétrodiffusion » dans la distribution des vitesses. En plus d'une diffusion uniforme associée à la perte de mémoire complète de la direction initiale, on observe le renforcement de la diffusion dans la direction exactement opposée à la direction initiale. Cette observation peut être considérée comme une signature directe des effets de cohérence dans le transport quantique de particules dans un milieu désordonné, responsable de la localisation faible, un précurseur de la localisation d'Anderson. Ce travail fait l'objet d'une publication dans la revue Physical Review Letters ¹.

Pour réaliser cette expérience, les chercheurs ont utilisé un nuage d'atomes de rubidium refroidis à une température inférieure à 1 nanokelvin, ce qui correspond à des vitesses de l'ordre du dixième de millimètre par seconde et la taille d'un paquet d'onde (i.e., une longueur de cohérence) de l'ordre de 8 micromètres. Ce nuage d'atomes, maintenu en lévitation par un champ magnétique, est ensuite accéléré à une vitesse de trois millimètres par seconde. A ce moment, les physiciens allument une onde de lumière dont la répartition spatiale est granulaire et qui agit sur les atomes comme un paysage vallonné aléatoire. Dans ce milieu, le libre parcours moyen des atomes, c'est-à-dire la distance entre deux diffusions par le potentiel aléatoire, est bien plus faible que la longueur de cohérence atomique. Dès lors, les interférences entre les différentes ondelettes de matière sont préservées et s'organisent pour augmenter la probabilité de « revenir en arrière » par rapport à celle d'être diffusée dans toutes les autres directions. Ce pic de rétrodiffusion a été observé directement en profitant des spécificités offertes par les atomes ultra-froids, ici la possibilité de mesurer la distribution en vitesse des atomes et de résoudre son évolution temporelle suite aux événements de diffusion successifs (voir figure). Ce système donne un accès direct à des phénomènes très difficiles à observer autrement ou à calculer numériquement. Il est donc à ranger dans le domaine très actif des simulateurs quantiques. Au-delà de leur intérêt fondamental, ces expériences peuvent à terme déboucher sur des applications, par exemple en donnant une meilleure compréhension des propriétés de conduction des matériaux amorphes.

Notons qu'une expérience similaire, réalisée à l'Institut Non Linéaire de Nice - INLN (CNRS - Université de Nice), visant à observer le phénomène de rétrodiffusion cohérente, a récemment donné lieu à l'observation d'un phénomène inattendu d'écho vers l'arrière, mais qui est de nature complètement différente (G. Labeyrie et al., arXiv 1206.0845).

: Observation du pic de rétro-diffusion cohérente d'atomes ultra-froids lancé dans un potentiel désordonné.
La figure montre l'évolution de la distribution en vitesse des atomes. L'onde de matière incidente, d'impulsion bien définie p_i, est diffusée aléatoirement dans toutes les directions p', de sorte que la distribution se répartit sur un anneau de rayon |p_i| (|p'|=|p_i| par conservation de l'énergie). Un pic, appelé pic de rétro-diffusion cohérente, apparaît autour de la direction –p_i. Ce phénomène, purement quantique, est dû à un effet d'interférence constructive entre les amplitudes de probabilité associées à différents chemins de diffusion.

¹ Mise en relief par un "Viewpoint" dans Physics (SE Skipetrov, Physics 5, 123 (2012)

En savoir plus

Coherent Backscattering of Ultracold Atoms, F. Jendrzejewski¹, K. Müller¹, J. Richard¹, A. Date¹, T. Plisson¹, P. Bouyer², A. Aspect¹ et V. Josse¹, Physical Review Letters (2012).

Retrouvez l'article de la publication sur les bases ouvertes HAL et arXiv.

Contact chercheur

Vincent Josse, maître de conférences Institut d'Optique - Université Paris-Sud, Institut Universitaire de France

Informations complémentaires

¹ Laboratoire Charles Fabry (LCF), CNRS - IOGS

² Laboratoire Photonique, Numérique et Nanosciences (LP2N), CNRS - IOGS

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Des supercollisions pour refroidir les électrons du graphène

Simon Jumel — 2012-12-19T15:35:00Z

Des physiciens ont mis en évidence un nouveau mécanisme efficace de refroidissement des électrons dans le graphène non dopé : en interagissant avec une impureté du réseau cristallin, l'électron émet un quantum de vibration plus énergétique que d'ordinaire.

Lorsque les électrons d'un conducteur électrique ont été chauffés par une impulsion lumineuse ou le passage d'un courant électrique, ils se refroidissent en cédant leur énergie au réseau cristallin. Dans le mécanisme habituel, les électrons les plus énergétiques cèdent leur énergie au réseau cristallin par émission d'un phonon, c'est-à-dire d'un paquet quantique d'énergie de vibration. Dans le graphène, une feuille de carbone à deux dimensions, les électrons de conduction sont très peu nombreux et chacun ne peut émettre que des phonons de relativement faible énergie. Des physiciens du Laboratoire Pierre Aigrain - LPA (CNRS - ENS - UPMC - Univ. Paris Diderot), simultanément avec un groupe de l'Université Cornell, viennent de mettre en évidence expérimentalement un nouveau processus de refroidissement qui avait été récemment prédit théoriquement. L'électron émet un phonon d'énergie bien plus importante lorsqu'il entre en collision avec une impureté. Ce mécanisme est bien plus rare que l'émission « ordinaire » d'un phonon, mais, au final, beaucoup plus efficace pour évacuer l'énergie de l'électron. Ce travail fait l'objet d'une publication dans la revue Nature Physics.

Le contrôle des électrons chauds, c'est-à-dire de haute énergie est une préoccupation permanente en électronique. Une température électronique excessive dégrade certaines propriétés comme l'ouverture et la fermeture des portes logiques. A l'inverse, la facilité de produire des porteurs chauds rapidement et en quantité sous l'effet du rayonnement permet d'accroître considérablement la sensibilité des détecteurs de photons. Cette question est redevenue d'actualité depuis la découverte du graphène en 2004, car ce conducteur est doté d'électrons de haute vitesse et de grande mobilité. En outre, la concentration en électrons est ajustable par effet électrostatique dans une large gamme jusqu'à des densités assez faibles. Les propriétés spécifiques du graphène, dues notamment à sa nature bidimensionnelle, modifient considérablement le comportement des électrons, des vibrations du réseau, et de leurs interactions. Pour mettre en évidence les mécanismes en jeu dans ce matériau, les physiciens du LPA ont réalisé une expérience de thermométrie de bruit consistant à utiliser une feuille de graphène, refroidie à la température de l'hélium liquide, à la fois comme radiateur et comme thermomètre. La feuille de graphène est soumise à une forte densité de courant continu qui échauffe les porteurs par effet Joule. La température électronique est mesurée par l'intensité des fluctuations thermiques de courant à haute fréquence (bruit Johnson) ; celle des phonons est évaluée par spectroscopie Raman (dans l'expérience de Cornell, l'excitation est optique et c'est le temps de relaxation qui est mesuré). Grâce à ces mesures, les physiciens ont mis en évidence une dépendance de la puissance de refroidissement des électrons en cube de la température, comme prédit par le théoricien L. Levitov (MIT) qui a proposé comme mécanisme de refroidissement l'interaction à trois corps électron, phonon, impuretés. Ce mécanisme reste invisible dans la conductivité électrique, mais prévaut à dopage faible et en présence de désordre dans le refroidissement des porteurs. En levant la contrainte sur la quantité de mouvement, les super-collisions libèrent l'émission de phonons très énergétiques et, par là, permettent un refroidissement plus efficace des électrons.

: Vue d'artiste de l'échantillon de graphène montrant le réseau cristallin (boules), le gaz électronique chaud (nuage rougeoyant), le substrat (gris foncé), sa couverture d'oxyde (orange), le revêtement de nitrure de bore (gris clair), et les contacts (ocre).

En savoir plus

Supercollision cooling in undoped graphene, A. C. Betz¹, S. H. Jhang¹, E. Pallecchi^1,2, R. Ferreira¹, G. Fève¹, J-M. Berroir¹ et B. Plaçais¹, Nature Physics (2012).

Retrouvez l'article de la publication sur la base ouverte arXiv.

Contact chercheur

Bernard Plaçais, Directeur de Recherche CNRS

Informations complémentaires

¹ Laboratoire Pierre Aigrain (LPA), CNRS - ENS - UPMC - Univ. Paris Diderot

² Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN), CNRS

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Réfléchir la lumière avec une toile de nanofils

Simon Jumel — 2012-12-19T14:35:00Z

Un unique plan de diffuseurs, très petits devant la longueur d'onde de la lumière et espacés les uns des autres, peut suffire pour réfléchir quasiment 100% de la lumière incidente dans une fenêtre spectrale facilement ajustable !

Un ensemble de diffuseurs régulièrement espacés dans les trois directions de l'espace, par exemple un cristal, renvoie la lumière de manière très efficace dans certaines directions bien précises. Ce phénomène résulte des interférences entre les ondes renvoyées par chacun des diffuseurs individuels. Il était jusqu'à présent admis que cette diffusion n'était efficace que lorsqu'une quantité suffisante de matière est mise en jeu : cristal massif pour la diffraction de Bragg ou surface structurée pour les réseaux optiques. Ce n'est pourtant pas toujours le cas. Des physiciens du Laboratoire de Photonique et de Nanostructures - LPN (CNRS) et de l'ONERA (DOTA) viennent de réaliser un objet très ténu, quasiment transparent à toutes les longueurs d'onde, à l'exception d'une étroite bande spectrale dans laquelle elle devient opaque. Il s'agit d'une toile composée de barreaux diélectriques dont le diamètre est de 500 nm, espacés de 3 μm, et suspendus dans le vide. La "fenêtre spectrale" peut être ajustée en tournant l'échantillon, c'est-à-dire l'angle d'incidence de la lumière. Ce travail fait l'objet d'une publication dans la revue Physical Review Letters.

Pour réaliser cette « toile photonique » les physiciens ont déposé sur un substrat de silicium une membrane de nitrure de silicium, un matériau transparent dans l'infrarouge, qu'ils ont ensuite gravé sur un carré de 2,5 mm de côté ne laissant que des barreaux de section carrée d'un demi micromètre de côté et placés tous les 3 micromètres. Pour assurer la tenue mécanique de la membrane, des barreaux perpendiculaires espacés de 20 micromètres ont été ajoutés. Cette toile a ensuite été éclairée avec du rayonnement infrarouge dans la gamme 3-5,5 micromètres. Pour un angle bien précis, aucune lumière n'est transmise. En outre, si les barreaux sont formés d'un matériau légèrement absorbant, cette absorption est démultipliée, pouvant atteindre jusqu'à 50% de la lumière incidente, c'est-à-dire 25 fois plus qu'un film plein du même matériau et de même épaisseur. Ces propriétés ouvrent de nouvelles perspectives pour renforcer l'interaction lumière-matière, par exemple pour des applications de spectroscopie de molécules ou de gaz autour des barreaux, ou dans des expériences d'opto-mécanique qui visent au contrôle optique de modes mécaniques d'objets de très faible masse dans le régime quantique.

: Photographie d'un réseau suspendu de nano-barreaux au microscope électronique à balayage (MEB).

: Photographie d'un échantillon fixé sur le banc de mesure. Les membranes semi-transparentes sont fabriquées dans des fenêtres percées dans un substrat de silicium.

En savoir plus

Optical Extinction in a Single Layer of Nanorods, P. Ghenuche^1,2, G. Vincent², M. Laroche³, N. Bardou¹, R. Haïdar², J-L Pelouard¹ et S. Collin¹, Physical Review Letters (2012).

Retrouvez l'article de la publication sur la base ouverte arXiv.

Contact chercheur

Stéphane Collin, chargé de recherche CNRS

Informations complémentaires

¹ Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (LPN), CNRS

² Onera—The French Aerospace Lab, DOTA

³ Laboratoire Charles Fabry (LCF), CNRS - IOGS

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Sonder l'aimantation d'un noyau atomique unique avec un transistor moléculaire

Simon Jumel — 2012-12-12T09:00:00Z

Une équipe de physiciens et de chimistes a mis au point un dispositif permettant de lire l'état magnétique du noyau d'un atome à l'aide d'un dispositif électronique.

Une approche prometteuse pour le traitement de l'information quantique consiste à la stocker sur l'orientation de l'aimantation des noyaux atomiques. Toutefois, le signal magnétique porté par un noyau atomique est difficilement mesurable car il est mille fois inférieur à celui qui est porté par un électron et jusqu'à présent, c'est sur une collection de noyaux que des « bits quantiques » avaient pu être inscrits et relus. Des physiciens de l'Institut Néel (CNRS), en collaboration avec des chimistes de l'Institut de Technologie de Karlsruhe, ont réalisé un dispositif expérimental permettant de mesurer l'aimantation d'un seul noyau atomique se trouvant au centre d'une molécule insérée entre deux électrodes métalliques. Ce travail est publié dans la revue Nature.

Pour parvenir à leur fin, les scientifiques ont tout d'abord synthétisé une molécule organométallique dans laquelle un ion terbium est pris en sandwich entre deux molécules organiques de phtalocyanine. Ce composé présente un triple intérêt. Tout d'abord, cette molécule préserve sa structure et ses propriétés même lorsqu'elle est sublimée à haute température sur une surface métallique, ce qui est essentiel pour la préparation d'un dispositif à molécule unique. Ensuite, l'ion Tb³⁺ est très stable et pour cette raison il ne peut pas conduire le courant électrique. Enfin, les deux molécules de phtalocyanine sont en mesure de bien conduire le courant électrique et leurs niveaux électroniques se couplent très bien à l'état magnétique de l'ion auquel elles sont liées. Les physiciens ont réalisé un transistor à molécule unique dans lequel la molécule complexe est placée entre deux plots d'un circuit électrique et ont mesuré la caractéristique électrique de ce dispositif en faisant varier le champ magnétique baignant le système. Cette mesure de courant électrique permet de déterminer l'état magnétique porté par l'ion Tb³⁺, directement relié à l'aimantation du noyau atomique de ce même ion. Ces résultats ouvrent ainsi la voie à une électronique de spin pour laquelle un spin nucléaire unique serait la brique élémentaire.

: Vue d'artiste d'une molécule aimant unique (TbPc2) connectée à deux électrodes d'or. Le courant électrique circulant au travers de ce transistor est représenté par les flèches blanches. Il permet de détecter les états de spin magnétique et nucléaire qui sont représentés respectivement par les flèches orange et rouge.

En savoir plus

Electronic read-out of a single nuclear spin using a molecular spin transistor, R. Vincent¹, S. Klyatskaya², M. Ruben^2,3, W. Wernsdorfer¹ et F. Balestro¹, Nature 488, 357 (2012).

Retrouvez l'article de la publication sur le site de l'Institut Néel (PDF).

Contact chercheur

Frank Balestro, maître de conférences Université Joseph Fourier Grenoble 1

Informations complémentaires

¹ Institut Néel, CNRS

² Institute of Nanotechnology (INT), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Eggenstein-Leopoldshafen, Germany

³ Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), CNRS

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Comment les fluctuations thermiques déterminent la brisure de nanojets liquides en nanogouttes

Simon Jumel — 2012-12-10T13:00:00Z

Des physiciens ont caractérisé l'influence de l'agitation thermique sur la dynamique de rupture de jets de fluide lorsque la surface du jet devient très fluctuante.

A notre échelle, la rupture en gouttes d'un filet de fluide qui s'écoule dépend de paramètres tels que la viscosité, la tension de surface, ou encore des effets d'inertie. De nouveaux effets apparaissent lorsque le diamètre du filet fluide devient comparable aux rugosités de surface dues à l'agitation thermique. Ce régime est difficile à atteindre car les rugosités thermiques des fluides habituels sont de taille nanométrique. Plutôt que de réduire le diamètre du jet jusqu'à cette échelle, des physiciens du Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine - LOMA (CNRS - Univ. Bordeaux 1) ont augmenté la taille caractéristique des fluctuations thermiques en utilisant des fluides dans le régime critique, ce qui leur a permis d'observer et d'étudier ces effets sur des jets de diamètre micrométrique. Ils ont notamment déterminé l'existence d'un régime particulier pour lequel toutes les gouttes ont la même taille, alors qu'en général, ce sont plutôt deux tailles de gouttes qui sont observées. Ces résultats sont publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. Ce travail permet d'envisager un meilleur contrôle des systèmes mettant en jeu des fluides à l'échelle nanométrique, comme les nanogouttes des imprimantes à jet d'encre, les écoulements dans les nanotubes ou encore le recuit de nano-fils.

Pour ce travail, les physiciens ont utilisé un mélange de quatre fluides (eau, huile, surfactant, cosurfactant) miscibles pour des températures inférieures à 35°C, et se séparant en deux phases distinctes au dessus de cette température. A proximité de cette température critique, l'interface entre les deux phases présente des fluctuations de grande amplitude. A l'aide des forces exercées sur le fluide par un faisceau laser, les chercheurs ont formé et stabilisé un filet de diamètre micrométrique de l'une des phases à l'intérieur de la seconde. Puis, après avoir éteint le faisceau laser, ils ont laissé le filet se déstabiliser et ils ont mesuré la dynamique de rupture de ce dernier et la taille des gouttes formées. Ils ont notamment observé des morphologies de pincements symétriques dont la particularité est de produire des gouttes de même taille.

: Filets liquides avant et après rupture pour des rugosités de surface croissantes. On notera l'accroissement de cette rugosité de surface traduite par le fait que le filet devient de plus en plus flou et épais. a) La brisure du filet de gauche produit des grosses gouttes intercalées par des gouttes plus petites appelées satellites ; on notera la présence d'un ou deux satellites. b) Filet plus rugueux que le précédent et réduction du nombre de satellites. c) Filet très rugueux et absence de satellite dans ce régime pour lequel les fluctuations thermiques sont importantes. La barre représente 20 µm.

En savoir plus

Break-up dynamics of fluctuating liquid threads, J. Petit¹, D. Rivière¹, H. Kellay¹ et J-P Delville¹, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) (2012).

Retrouvez l'article de la publication sur la base ouverte HAL.

Contact chercheur

Jean-Pierre Delville, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires

¹ Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine (LOMA), CNRS - Univ. Bordeaux 1

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La diffusion cohérente vers l'avant : une nouvelle signature de l'apparition du régime de localisation d'Anderson

Simon Jumel — 2012-12-10T09:35:00Z

Des physiciens du France-Singapore Quantum Physics and Information Lab (FSQL), un Laboratoire International Associé (LIA) créé en 2010, proposent un nouveau phénomène pour caractériser l'apparition du régime de localisation d'Anderson qui se révèle lorsque des ondes se propagent dans un milieu désordonné. Ce travail a fait l'objet d'une publication dans la revue Physical Review Letters.

Comme le physicien P.W. Anderson l'a montré théoriquement dans les années 1950, la présence d'un désordre peut inhiber la propagation d'une onde et conduire à une localisation spatiale. Un signe avant-coureur de cette localisation des ondes à l'intérieur d'un milieu diffusant, qui a été très étudié dans les 30 dernières années de manière théorique et expérimentale, est la rétrodiffusion cohérente : le milieu désordonné augmente la diffusion des ondes vers leur source d'émission, ralentissant ainsi leur propagation. Des physiciens théoriciens de l'Institut Non Linéaire de Nice - INLN (CNRS - Université de Nice), du laboratoire Kastler Brossel - LKB (CNRS - UPMC - ENS - Collège de France), du Centre for Quantum Technologies (CQT) de Singapour, en collaboration avec des chercheurs de l'université de Bialystok (UB) en Pologne et de l'Institut de Physique de Freiburg (IPF) en Allemagne, viennent de montrer l'existence d'une nouvelle signature : l'émergence d'un pic d'interférence dans la direction de diffusion vers l'avant. Les physiciens ont découvert ce nouveau phénomène en analysant numériquement l'évolution temporelle de la distribution des vitesses d'un paquet d'ondes d'atomes ultrafroids lancé avec une vitesse initiale dans un potentiel aléatoire à deux dimensions. A deux dimensions, la localisation est en principe toujours présente, mais elle ne se manifeste que si la taille du système est plus grande que la taille typique des paquets d'ondes localisés, qui dépend du désordre. Ainsi, contrairement au pic de rétrodiffusion, qui est présent quelques soient les conditions, le pic de diffusion cohérente vers l'avant est absent quand la taille du système est plus petite que la longueur typique de localisation. Il apparaît uniquement lorsque la localisation se manifeste dans le système et est donc potentiellement une bonne signature expérimentale de cet effet. Les physiciens s'intéressent maintenant au cas des systèmes à trois dimensions sur lesquels sont effectués les expériences. Une onde se propageant dans un milieu désordonné tridimensionnel infini ne se localise pas toujours. Il existe un seuil de localisation qui dépend du degré de désordre. Le pic de diffusion cohérente vers l'avant pourrait alors être un marqueur expérimental de ce seuil.

Distribution des vitesses d'un paquet d'ondes lancé initialement dans un potentiel aléatoire bidimensionnel. Dans le régime de localisation d'Anderson, la distribution présente une structure à deux pics d'interférences, l'un associé à la rétrodiffusion cohérente et l'autre à la diffusion cohérente vers l'avant.

Ce travail a été réalisé et coordonné par une équipe jointe franco-singapourienne basée au CQT dans le cadre du LIA FSQL créé en 2010. Celle-ci se compose actuellement de deux chercheurs permanents de l'Institut de Physique du CNRS (INLN et LKB) et de plusieurs chercheurs du CQT. Cette équipe travaille sur les gaz quantiques dégénérés (systèmes fortement corrélés, champs de jauge, localisation d'Anderson). Le LIA FSQL incorpore également une activité autour du calcul quantique (INS2I - Institut des sciences informatiques et de leurs interactions).

En savoir plus

Coherent Forward Scattering Peak Induced by Anderson Localization, T. Karpiuk^1,2, N. Cherroret^3,4, K. L. Lee¹, B. Grémaud^4,5, C. A. Muller¹ et C. Miniatura^1,5,6, Physical Review Letters 109, 190601, (2012).

Retrouvez l'article de la publication sur la base ouverte arXiv

Contact chercheur

Christian Miniatura, directeur de recherche CNRS

Informations complémentaires

¹ Center for Quantum Technologies (CQT), Singapour

² Université de Bialystok (UB), Pologne

³ Institut de Physique de Frieburg (IPF), Allemagne

⁴ Laboratoire Kastler Brossel (LKB), CNRS - UPMC - ENS - Collège de France

⁵ Department of Physics, National University of Singapore (NUS), Singapour

⁶ Institut Non Linéaire de Nice (INLN), CNRS - Université de Nice

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr

De l'eau à des pressions négatives de -1000 fois la pression atmosphérique

Simon Jumel — 2012-12-05T16:05:00Z

En analysant la formation des bulles de vapeur dans de l'eau sous très forte tension, des physiciens ont conforté une explication jusqu'à présent mise en doute : il s'agirait bien de « nucléation homogène ». Dans ce mécanisme, l'apparition des bulles s'effectue au sein du liquide par sa désintégration à l'échelle d'une centaine de molécules d'eau et non à cause de l'effet des parois ou de la présence d'impuretés. Ce travail a fait l'objet d'une publication dans la revue Nature Physics.

La grande cohésion de l'eau permet de mettre ce liquide sous tension importante sans qu'il ne se vaporise. Lorsque la tension augmente encore, la cohésion se rompt et le liquide se transforme en gaz : on dit qu'il cavite. Pour étudier expérimentalement ce phénomène, une collaboration de physiciens du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures - LPMCN (CNRS - Univ. Claude Bernard Lyon 1), de l'Institut des Sciences de la Terre d'Orléans - ISTO (CNRS - Univ. Orléans - BRGM) et du Groupe de Recherche Eau-Sol-Environnement - GRESE, a utilisé une méthode très performante mise au point par le chimiste Austen Angell à l'Université d'Arizona en 1991. Procédant comme une sorte de cocote minute à l'envers, cette méthode consiste à refroidir à volume constant des inclusions d'eau liquide contenues dans un cristal de quartz. L'eau, adhérant aux parois de quartz, ne peut se contracter lors du refroidissement, elle est alors mise sous tension. Jusqu'à présent, les expériences effectuées sur ces systèmes consistaient à mesurer le seuil d'apparition des bulles de vapeur sur de nombreuses inclusions, produisant des résultats très dispersés. Pour obtenir des mesures très précises, les physiciens ont mesuré le seuil d'apparition des bulles de nombreuses fois sur une seule inclusion bien choisie. Ils ont ainsi mesuré un taux d'apparition de bulles en accord avec le mécanisme de « nucléation homogène » et en désaccord avec les autres mécanismes. En outre, ces expériences ont permis de localiser la température du maximum de densité de l'eau à pression négative : 27°C pour une densité de 922.8 kg/m³. Cette découverte constitue une avancée sur le diagramme de phase de l'eau, encore très débattu.

Inclusion d'eau dans un cristal de Quartz. Des bulles peuvent être observées au sein du liquide.

En savoir plus

A coherent picture for water at extreme negative pressure, M. El Mekki Azouzi¹, C. Ramboz², J.-F. Lenain³ et F. Caupin¹, Nature Physics, 18 novembre 2012.

Contact chercheur

Frédéric Caupin, enseignant-chercheur Université Claude Bernard Lyon 1

Informations complémentaires

¹ Laboratoire de Physique de la Matière Condensée et Nanostructures (LPMCN), CNRS - Univ. Claude Bernard Lyon 1

² Institut des Sciences de la Terre d'Orléans (ISTO), CNRS - Univ. Orléans - BRGM

³ Groupe de Recherche Eau-Sol-Environnement (GRESE), Université de Limoges

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
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Le "phare" attoseconde : une méthode simple pour générer des impulsions ultra-brèves uniques

Simon Jumel — 2012-11-28T14:23:58Z

La dynamique des électrons au sein des atomes et des molécules est extrêmement rapide (ordre de grandeur : l'attoseconde, soit 10^-18 s). Un moyen d'étudier ces phénomènes consiste à utiliser des impulsions de lumière ultra-brèves, uniques et bien caractérisées à cette échelle de temps. Grâce à la démonstration réalisée par les chercheurs du CEA-IRAMIS¹ et du Laboratoire d'Optique Appliquée (CNRS/ENSTA-Paris Tech/École polytechnique), il est possible de disposer aujourd'hui d'une source de lumière particulièrement bien adaptée pour de telles recherches sur le comportement de la matière. Ces résultats sont publiés dans Nature Photonics, le 1er décembre 2012.

Pour en savoir plus, consultez le communiqué de presse du CNRS.

¹ Institut Rayonnement Matière de Saclay