Paris, 29 mars 2012

Générer pour la première fois un rayonnement ultra-bref de manière contrôlée à l'aide d'un plasma

Pour observer des phénomènes ultrarapides tels que le mouvement des électrons au sein de la matière, les chercheurs ont besoin de sources capables de produire des rayonnements lumineux extrêmement brefs et énergétiques. Si des dispositifs capables d'émettre des impulsions dans le domaine de l'attoseconde (10-18 seconde) existent déjà, de nombreuses équipes s'efforcent de repousser les limites de leur intensité et de leur durée. Une équipe pilotée par le Laboratoire d'optique appliquée (LOA, CNRS / ENSTA-Paristech / Ecole Polytechnique), en collaboration avec le CEA-Saclay et le Laboratoire pour l'utilisation des lasers intenses (LULI, CNRS / CEA / Ecole Polytechnique / UPMC), a réussi, pour la première fois, à accélérer et guider de façon reproductible des électrons dans un plasma à l'aide d'un laser. Ces électrons excitent le plasma, qui émet alors des impulsions électromagnétiques ultra brèves à des longueurs d'onde dans le domaine de l'extrême ultraviolet. Ce rayonnement attoseconde énergétique pourra servir à sonder les processus électroniques ultra rapides. Ces travaux sont publiés dans Nature Physics.
Des événements, tels que l'ionisation d'un atome ou le passage d'un électron d'un état d'excitation à un autre, se déroulent sur des échelles de temps typiques de l'ordre de l'attoseconde (un milliardième de milliardième de seconde). Pour les observer en direct, on doit pouvoir produire des impulsions lumineuses d'une durée comparable afin de « saisir » l'évolution du phénomène, à la manière d'un obturateur photographique. Jusqu'à présent, il n'existait qu'une manière d'obtenir des impulsions aussi brèves, en excitant par laser les électrons d'un gaz. Ces derniers émettent alors une impulsion dans le domaine de l'extrême ultraviolet (X-UV). Mais ce procédé a des limites et, pour observer certains phénomènes, les chercheurs auraient besoin de sources encore plus brèves et surtout plus énergétiques. Voilà pourquoi de nombreuses équipes se sont tournées vers la physique des plasmas, cet état de la matière extrêmement chaud et dense, constitué d'ions et d'électrons.
L'équipe menée par le LOA est la première à avoir obtenu des impulsions attoseconde dans l'X-UV de façon reproductible en contrôlant l'excitation d'un plasma par des électrons accélérés dans un champ laser. Pour y parvenir, les chercheurs ont d'abord dû développer une source laser très performante, permettant d'atteindre des éclairements mille à dix mille fois supérieurs à ceux utilisés dans les milieux gazeux, et délivrant un millier d'impulsions par seconde d'une durée de l'ordre de quelques femtosecondes chacune (10-15 seconde). De plus, cette source est stabilisée en phase : toutes les impulsions générées sont identiques les unes par rapport aux autres. Les chercheurs sont parvenus à focaliser toute la puissance lumineuse du laser sur une tache d'un peu plus d'un micron de diamètre à la surface d'une cible en silice. La matière de la cible est ainsi transformée en un plasma de densité comparable à celle d'un solide. Dans ce plasma, les électrons sont fortement accélérés par le champ électromagnétique produit par le faisceau laser. Lorsqu'ils traversent le plasma, ils excitent au sein de celui-ci des mouvements collectifs de charges produisant alors un rayonnement X-UV que les chercheurs ont pu observer et analyser à l'aide d'un spectromètre.

Ces travaux devraient déboucher sur une source de rayonnement énergétique dont pourront se servir physiciens et chimistes pour sonder les processus électroniques dans la matière avec une résolution temporelle dans le domaine attoseconde. Pour l'heure, les chercheurs prévoient d'améliorer encore leur source laser afin de produire un rayonnement encore plus bref et à plus courte longueur d'onde (dans le domaine des rayons X), en guidant de manière contrôlée le mouvement des électrons dans le plasma qui se déplacent à des vitesses proches de celle de la lumière.

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Paris, 8 septembre 2011

Supraconductivité : le puzzle prend forme !
En affaiblissant la supraconductivité avec un fort champ magnétique, les électrons d'un supraconducteur dit « à haute température » s'alignent en filaments linéaires. C'est ce que viennent de montrer les chercheurs du Laboratoire national des champs magnétiques intenses du CNRS (1). Publiés dans Nature le 8 Septembre 2011, ces résultats apportent une nouvelle pièce au puzzle que les physiciens de la matière tentent d'assembler depuis près de vingt-cinq ans.
Découverte il y a cent ans, la supraconductivité(2) est un phénomène spectaculaire qui interroge toujours autant les chercheurs. Les supraconducteurs dits « à haute température » intéressent tout particulièrement les scientifiques, notamment la famille des cuprates, des oxydes de cuivre dont la température maximale de supraconduction est d'environ -140°C. Comment, dans ces cuprates, les électrons parviennent-ils à s'organiser en une même onde, permettant ainsi au matériau de devenir supraconducteur? C'est la question à laquelle les chercheurs tentent de répondre depuis vingt-cinq ans.

C'est dans ce contexte que l'équipe du Laboratoire national des champs magnétiques intenses, en collaboration avec des scientifiques de Vancouver, a soumis des échantillons d'un cuprate surnommé « YBaCuO »(3) à des champs magnétiques particulièrement intenses (des milliers de fois plus puissants que ceux des petits aimants sur les portes des réfrigérateurs ménagers). Grâce à la technique de résonance magnétique nucléaire(4), les chercheurs ont sondé ce supraconducteur à l'échelle de l'atome et ont découvert que les électrons, sous ces champs intenses, tendent à s'ordonner en filaments rectilignes ou « stripes ».

Un tel alignement des charges n'a été observé jusqu'à présent que dans les matériaux non ou faiblement supraconducteurs, jamais chez des matériaux où la supraconductivité est robuste. Cette découverte permet de comprendre pourquoi : il faut qu'un fort champ magnétique affaiblisse la supraconductivité pour observer l'effet. Les résultats suggèrent aussi que cette tendance à l'alignement pourrait être sous-jacente à tous les cuprates. Reste néanmoins à comprendre si cette nouvelle pièce du puzzle a un quelconque rapport avec le mécanisme de supraconductivité de ces matériaux.

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Les matériaux biomimétiques

La démarche biomimétique ne date pas d'hier. Que l'on pense à la Chauve-Souris, premier prototype de Clément Ader ! Pour être fructueuse, elle doit passer par une compréhension complète - et critique - du fonctionnement de la structure dont on souhaite s'inspirer. Pourquoi la nature a-t-elle privilégié cette solution là pour résoudre ce problème ci, compte tenu des moyens à sa disposition : matières premières, conditions de température et de pression dans l'environnement, … ? Dans le domaine des matériaux, répondre à cette question requiert une caractérisation en profondeur de la structure du matériau considéré. Cette caractérisation doit en général se faire à de nombreuses échelles, du macroscopique au nanométrique. En effet, les matériaux du monde vivant proposent de magnifiques exemples de structures hiérarchiques et sont souvent des nanomatériaux représentatifs. On peut décomposer la démarche biomimétique en trois étapes : 1) l'identification : repérage d'un matériau du vivant présentant une propriété intéressante, 2) la compréhension : sur la base de la connaissance de la structure, comment la propriété en question s'exprime t-elle ? 3) le contretypage, en utilisant des moyens qui sont en général différents des moyens naturels. En effet, les chimistes possèdent des recettes bien plus variées, souvent plus efficientes, que les voies de synthèse naturelles. A titre d'exemple, on verra pourquoi les feuilles de nénuphar servent de modèle à des nouveaux vitrages qui préservent la vision sous la pluie, comment la structure des ailes de papillons inspirent les concepteurs de matériaux aux couleurs chatoyantes, et en quoi les coquilles de mollusques ou de noix fournissent des pistes pour la recherche de matériaux composites très résistants sur le plan mécanique.

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Physique et mécanique

Forte de sa maturité, la mécanique des solides n'en est que plus sollicitée par de nombreux défis à relever dans le futur. Les enjeux sont multiples : depuis la connaissance fondamentale, jusqu'à la conception et la caractérisation de nouveaux matériaux, en passant par la maîtrise de l'hétérogénéité de milieux à comportement complexe, en passant par l'exploitation de l'imagerie bi voire tridimensionnelle via l'analyse de champ, ou encore la prédiction de la variabilité ou de la fiabilité des solides et des structures. Dans toutes ces dimensions, physique et mécanique sont indissociablement liées, s'interpellant et dialoguant pour affronter plus efficacement ces challenges. Sur le plan expérimental, les mesures physiques, de plus en plus finement résolues spatialement, permettent d'aborder directement des réponses mécaniques inhomogènes, liées au désordre constitutif des matériaux ou à leur comportement non-linéaire dans des sollicitations complexes. Sur le plan de la modélisation numérique, l'ère du progrès purement algorithmique est sans doute révolu, pour laisser place à des approches performantes exploitant les problèmes multi échelles avec discernement. Enfin, en ce qui concerne la théorie, les progrès majeurs accomplis dans le passé dans l'homogénéisation des milieux élastiques permettent de mesurer les difficultés qui sous-tendent l'abord de l'hétérogénéité pour des lois de comportement complexes (plasticité, endommagement, et rupture, matériaux amorphes, milieux divisés ou enchevêtrés, …).

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