Paris, 8 janvier 2007

Première carte tridimensionnelle de la distribution de la matière noire dans l'Univers
En analysant le champ COSMOS, le plus grand champ de galaxies jamais observé avec le télescope spatial Hubble, une équipe internationale de scientifiques conduite par des chercheurs de l'Université de Caltech (Etats-Unis) et comprenant des chercheurs de laboratoires associés du CNRS et du CEA(1), a réalisé la première carte tridimensionnelle de la matière noire dans l'Univers utilisant l'effet de lentille gravitationnelle. Cette première historique semble confirmer les théories standard de formation des grandes structures de l'Univers. Cette étude fait l'objet d'une publication dans la revue « Nature » du 7 janvier 2007.
Pour les astronomes, cartographier la répartition de la masse dans l'Univers à partir de sa composante lumineuse est un défi considérable ; un exercice aussi compliqué que de déterminer l'extension d'une ville seulement à partir de clichés aériens pris de nuit. En effet, la matière lumineuse (étoiles, galaxies, gaz ionisé) ne représente seulement qu'un sixième de toute la matière dans l'Univers. Le reste est invisible et composé notamment de cette mystérieuse matière appelée la matière noire.

Néanmoins, malgré la complexité de la tâche, une cartographie tridimensionnelle de l'ensemble de la masse, lumineuse et matière noire, a pu être réalisée pour la première fois dans le champ COSMOS. Une équipe internationale d'astronomes a réalisé cet exploit en utilisant l'effet de lentille gravitationnelle pour mesurer la distribution à grande échelle de la matière. Cette nouvelle carte apporte un gain d'information comparable à ce qu'apportent des cliches d'une ville de jour plutôt que de nuit pour en voir tous les moindres détails.

La carte de la matière noire a été construite en mesurant la forme d'un demi-million de galaxies lointaines. Pour nous atteindre, leur lumière a dû traverser des « champs » de matière noire et les faisceaux de lumière ont été légèrement déformés. Ce phénomène est une conséquence directe de la théorie de la relativité générale d'Albert Einstein qui prédit que la présence importante de masse déforme localement l'Espace-Temps. En conséquence, la trajectoire de particules passant au voisinage de cette concentration de masse est déviée. Les photons, particules associées au rayonnement électromagnétique, n'échappent pas à cette règle. La déformation observée sur les formes des galaxies a donc été employée pour reconstruire la distribution de la masse intervenant le long de la ligne de visée.

Le champ COSMOS couvre une région du ciel grande comme neuf fois la taille de la Lune (1.6 degré carré). Le sondage COSMOS réalisé par Hubble comprend 575 images de la caméra ACS (Advanced Camera for Surveys), correspondant à près de 1.000 heures d'observation. Suite aux observations effectuées avec Hubble, de nombreuses observations complémentaires avec des télescopes au sol (comme le Subaru, le VLT et le CFHT) et dans l'espace (XMM-Newton) ont été réalisées. En particulier, les images multicouleurs du Subaru et du CFHT, ainsi que les milliers de spectres du VLT mesurés avec l'instrument VIMOS ont permis d'estimer la distance des différentes structures permettant ainsi de réaliser cette cartographie en 3 dimensions. Cette carte tridimensionnelle démontre que la matière lumineuse, se concentre le long des régions les plus denses de la matière noire. On peut y identifier un réseau de filaments, se croisant là où se trouvent les amas de galaxies. D'autre part, la cartographie couvre près de la moitié de l'âge de l'Univers et permet donc de suivre l'évolution de la distribution de la matière noire devenant de plus en plus structurée au fil du temps.

« Cartographier la distribution de la matière noire dans l'espace et le temps est fondamental pour comprendre comment les galaxies se sont développées et regroupées au cours du temps . Les résultats obtenus grâce au sondage COSMOS semblent conformes aux théories standard de la formation des grandes structures de l'Univers.» déclare Jean Paul Kneib, chercheur CNRS au Laboratoire d'Astrophysique de Marseille.

Le sondage COSMOS nous révèle ainsi une carte tridimensionnelle de la matière noire dans l'Univers et va permettre de suivre pour la première fois la relation entre la distribution de matière noire et la formation et l'évolution des galaxies. Une telle cartographie de l'Univers par effet de lentille gravitationnelle faible motive d'ores et déjà de futures missions spatiales en cours de développement. On peut donc imaginer que dans les prochaines décennies, c'est l'Univers dans son ensemble qui pourra être cartographié, probablement de manière plus détaillée encore, permettant peut-être ainsi de contraindre l'existence et la nature de l'énergie noire, force insaisissable qui accélérerait l'expansion de l'Univers.

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Paris, 18 juillet 2012

Le noyau atomique : liquide fissile ou molécule vitale ?
Une nouvelle vision unifiant les deux aspects noyau-liquide et noyau-molécule est révélée par une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec l'Université de Zagreb. En faisant l'analogie avec les étoiles à neutrons(1), les chercheurs ont mis en évidence, pour la première fois, l'une des conditions nécessaires à la formation, au sein du noyau atomique, de comportements moléculaires. Ces derniers permettent notamment de comprendre la synthèse des éléments indispensables à l'apparition de la vie. Ces travaux sont publiés dans Nature le 19 juillet 2012.
Le noyau atomique est généralement décrit comme une goutte de liquide quantique de l'ordre du millionième de milliardième de mètre de diamètre. Ce comportement de type liquide explique notamment la fission nucléaire, et s'applique préférentiellement aux noyaux lourds, c'est-à-dire ceux contenant beaucoup de nucléons (les neutrons et les protons). En revanche, les noyaux légers(2) peuvent se comporter comme de minuscules « molécules » - ou agrégats - composés de neutrons et de protons à l'échelle du noyau. Cet aspect moléculaire permet de comprendre la synthèse stellaire du carbone-12 ou d'éléments plus lourds, nécessaires à l'apparition de la vie(3).

Jusqu'à présent, les deux visions « noyau-molécule » et « noyau-liquide » co-existaient. Aujourd'hui, une équipe de l'Institut de physique nucléaire d'Orsay (Université Paris-Sud/CNRS) et du CEA, en collaboration avec des chercheurs de l'Université de Zagreb, livre une vision unifiée de ces deux aspects. En résolvant des équations de physique quantique à l'échelle du noyau (et notamment l'équation de Schrödinger), les chercheurs ont démontré que, si un noyau léger peut présenter un comportement de type moléculaire (qui tend vers l'état cristallin), il adopte, lorsqu'il s'alourdit, un comportement de type liquide. Pour établir cette nouvelle théorie, les physiciens se sont inspirés des étoiles à neutrons(1). Plus on s'enfonce à l'intérieur de ces étoiles, plus on passe d'un milieu cristallin à un milieu liquide. Grâce à cette analogie, les physiciens ont identifié un mécanisme de transition de l'état liquide vers l'état cristallin du noyau. Lorsque les interactions entre neutrons et protons ne sont pas assez fortes pour les fixer au sein du noyau, celui-ci est alors dans un état de type liquide quantique où neutrons et protons sont délocalisés. À l'inverse, dans un état cristallin, neutrons et protons seraient fixés à intervalles réguliers dans le noyau. La molécule nucléaire est interprétée comme un état intermédiaire entre le liquide quantique et le cristal. À long terme, il s'agit de comprendre de manière unifiée les différents états du noyau.

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Paris, 18 octobre 2012

Une nouvelle méthode pour concevoir des langues électroniques
De la même façon que les nez électroniques sont capables d'analyser des gaz (odeurs), les langues électroniques sont dédiées à l'analyse des liquides et trouvent de plus en plus d'applications dans l'industrie agroalimentaire, l'analyse de l'environnement et le domaine de la santé. Ces dispositifs qui s'inspirent des procédures physiologiques du goût, utilisent des capteurs intégrant différents composés, souvent longs à fabriquer. Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Université Joseph Fourier et de l'Université Paris-Sud1, ont mis au point une méthode novatrice qui simplifie grandement la conception de ces langues électroniques, en s'inspirant de la façon dont des protéines sont reconnues par les Héparanes Sulfates (sucres complexes naturels) présents à la surface des cellules. Ces résultats ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie du 8 octobre.
Les auteurs de l'étude ont mis au point une méthode combinatoire évitant de s'astreindre à la préparation de nombreuses molécules différentes utilisées classiquement pour les langues électroniques. Les chercheurs préparent d'abord différentes solutions en mélangeant seulement deux petites molécules ayant des propriétés physico-chimiques distinctes, et en variant leurs proportions relatives. Ils déposent ensuite des gouttes de ces solutions sur un substrat, afin de créer un réseau de plots ou capteurs par auto-assemblage des molécules en monocouche. C'est l'ensemble des signaux issus de tous les capteurs qui constitue la signature, ou le "goût", d'une protéine et permet de générer son « profil 2D ou 3D » caractéristique. Cela a permis par exemple de distinguer des chimiokines de structures très voisines. Si plusieurs protéines sont présentes simultanément, le "goût" du mélange peut être décomposé en ses composantes individuelles et chaque protéine reconnue. Dans l'exemple relaté dans Angewandte Chemie, avec deux molécules,  onze récepteurs combinatoires sont produits, ce qui génère  onze signaux. En passant de 2 à 3 molécules différentes dans la composition des plots, on multiplie par 6 le nombre de récepteurs combinatoires distincts et on affine d'autant la sensibilité de la langue pour reconnaître des protéines très similaires.

Pour la détection du signal, les chercheurs ont utilisé une technique déjà connue mais jamais utilisée dans ce domaine, l'imagerie par résonance de plasmons de surface (SPRi) : le substrat est un prisme optique recouvert d'une fine couche d'or dans laquelle les mouvements collectifs des électrons (plasmons) sont modifiés chaque fois qu'une protéine s'adsorbe sur l'un des capteurs. Cette modification est mesurée optiquement. Les avantages de cette technique sont nombreux : pas besoin de marqueur fluorescent ou radioactif, lecture en parallèle et en temps réel de tous les plots.

Grâce à sa simplicité, cette nouvelle approche pourrait conduire au développement de langues artificielles fiables et peu onéreuses, pour l'agroalimentaire, l'analyse de l'environnement ou le domaine de la santé.

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Paris, 19 novembre 2012

Une avancée majeure en microélectronique : production de nano-rubans de graphène semi-conducteurs
Le graphène, cristal bidimensionnel composé d'une couche unique d'atomes de carbone, possède des propriétés très prometteuses pour l'électronique. Cependant, pour que ces applications potentielles se concrétisent, il était nécessaire d'obtenir une forme semi-conductrice de ce matériau. Huit ans après sa découverte, c'est chose faite, grâce aux travaux d'une équipe franco-américaine menée par le Georgia Institute of Technology (USA), et incluant des scientifiques du CNRS, du synchrotron SOLEIL, de l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine, Nancy) et de l'Institut Néel (Grenoble). Les chercheurs sont parvenus à mettre au point une technique de production de bandes de graphène semi-conductrices basée sur le contrôle du substrat sur lequel se produit la croissance du graphène. Leurs résultats, publiés dans Nature Physics le 18 novembre 2012, ouvrent la voie à une électronique de très haute fréquence.
Le graphène se présente comme une monocouche d'atomes de carbone dont l'empilement constitue le graphite. De très nombreuses recherches sont menées depuis une dizaine d'années sur ce matériau. En effet, ses propriétés hors-normes, mobilités électroniques élevées, forte conductivité thermique, stabilité chimique et possibilité de moduler sa conductance électrique par un champ électrique, le rendent particulièrement attrayant pour l'électronique. En particulier, sa mobilité électronique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle se déplacent les électrons en son sein, lui promettent des applications dans l'électronique de très haute fréquence, ou térahertz.

Mais voilà, sous sa forme naturelle, le graphène possède une structure métallique. Il est par conséquent conducteur de courant. Or, pour que ce matériau soit utilisable en microélectronique, il est nécessaire de l'obtenir sous une forme semi-conductrice. C'est ce que sont parvenus à obtenir les chercheurs de l'équipe franco-américaine.

En s'appuyant notamment sur les résultats de la ligne de lumière CASSIOPEE du synchrotron SOLEIL, les scientifiques sont parvenus à mettre au point une technique de production de bandes de graphène semi-conductrices. Basée sur le contrôle de la géométrie du substrat sur lequel a lieu la croissance du graphène, elle consiste à graver des nano-sillons sur une surface en carbure de silicium (SiC). Sur ce substrat, le graphène croît sous forme d'un ruban dont le bord, semi-conducteur, est lié à du graphène métallique. Cette bande semi-conductrice ne mesure que quelques nanomètres de largeur.

Cette technique permet non seulement de travailler à température ambiante, mais également d'obtenir une bande de graphène semi-conductrice cinq fois plus fine que le record détenu par IBM en lithographie. Par ailleurs, la production de graphène est considérée comme extrêmement coûteuse. Or, l'équipe franco-américaine est parvenue à produire des dizaines de milliers de ces rubans aux bords semi-conducteurs, ce qui rend envisageable leur production à l'échelle industrielle. Un pas de plus vers la fabrication de circuits intégrés à haute densité à base de carbone a bel et bien été franchi.

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