UMR 5221

Inauguration 5 Avril 2011

Le laboratoire Charles Coulomb Unité mixte de recherche CNRS-Université Montpellier 2

Le laboratoire Charles Coulomb (L2C), (UMR 5221) a été créé au 1er janvier 2011 par la fusion du Laboratoire des Colloïdes, Verres et Nanomatériaux (LCVN, UMR 5587), du Groupe d’Etude des Semi-conducteurs (GES, UMR5650) et du groupe de Physique Théorique du Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules (LPTA, UMR 5207). Il a l’Institut de Physique (INP) du CNRS comme Institut principal et l’Institut de Chimie (INC), l’Institut des Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) et l’Institut National de Physique Nucléaire et de Physique des Particules (IN2P3) comme instituts secondaires. Le L2C compte actuellement au total 220 membres parmi lesquels une centaine de chercheurs et d’enseignants-chercheurs et une cinquantaine d’ingénieurs, techniciens et administratifs permanents.

Ses objectifs scientifiques s’inscrivent au cœur de la recherche fondamentale. Le L2C se distingue par la particularité, relativement unique au niveau national, de posséder au sein d’une même unité un large éventail de compétences allant de la physique théorique la plus fondamentale à la biophysique, avec une grande part de ses activités théoriques et expérimentales tournées vers la physique de la matière condensée et les nanosciences. Le L2C a aussi la caractéristique de disposer d’un ensemble de techniques expérimentales de caractérisation et d’études de la matière condensée, en particulier une plateforme de spectroscopies optiques, uniques en termes de performances dans le contexte national.

Le L2C est organisé en trois départements :

• Colloïdes, Verres et Nanomatériaux (CVN) • Semi-conducteurs, Matériaux et Capteurs (SMC) • Physique théorique (PTh).

Les activités de recherche du Département Colloïdes, Verres et Nanomatériaux

(CVN) sont centrées sur l’étude expérimentale des propriétés physiques de quelques grandes classes de matériaux : -les nouvelles formes du carbone, telles que les nanotubes et le graphène -les matériaux désordonnées durs (verres) ou mous (gels, colloïdes, mousses, polymères, cristaux liquides, tensio-actifs….) -le vivant (de la cellule au tissu) et le bio-mimétique (composants cellulaires)

En sondant grâce à un large panel de techniques expérimentales, mais aussi par simulations numériques, la structure et la dynamique de la matière sur des échelle spatiales comprises entre 10-7 mm et 1mm et des échelles de temps comprises entre 10-12 s et 1 heure, on cherche à décrire et comprendre les propriétés physiques (comportement mécanique, conductivité thermique et électronique propriétés optiques etc…) de ces matériaux , au niveau collectif (comportement macroscopique) mais aussi au niveau des nano-objets individuels qui les constituent (nanosciences). Cette recherche fondamentale peut-être ensuite valorisée par le réseau de collaborations industrielles que le département a développées.

Bien que l’activité au coeur du Département Semiconducteurs, Matériaux et Capteurs (SMC) soit la physique des semiconducteurs, science qui est à la base de l’électronique, qui envahit aujourd’hui notre quotidien, son champ d’investigation s’est élargi notablement pour inclure la biophysique, avec les interfaces semiconducteur/vivant, les nanotechnologies appliquées à l’imagerie et à ses applications médicales, les matériaux non-

cristallins/vitreux (pour des applications à des capteurs utiles en biomédical ou en environnement jusqu’à la conception des nouvelles générations de verres ophtalmiques (lunettes)). Les nanotechnologies et les nanosciences sont au coeur des activités du Département et le champ des problématiques va de la recherche très appliquée à la théorie, en incluant la synthèse de nouveaux matériaux, la détermination fine de leur propriétés par une grande variété de techniques (microscopies, optique, mesures électriques, rayons X, …), des études physiques sophistiquées (à des échelles de temps très courts jusqu’au millième de milliardième de seconde, ou en utilisant des pressions très élevées (jusqu’à 15000 fois la pression atmosphérique) et des champs magnétiques très intense (plusieurs centaines de millier de fois le champ magnétique terrestre, …). Toutes ces études visent à la fois à augmenter notre compréhension du monde qui nous entoure, mais aussi à développer de nouvelles technologies, qui contribueront à augmenter notre compétitivité industrielle.

Le Département de Physique Théorique développe des recherches à caractère fondamental autour de trois thématiques : le première concerne la modélisation des systèmes complexes et des phénomènes non-linéaires. Les domaines d’application recouvrent les systèmes biologiques moléculaires et cellulaires, la mécanique des fluides, la physique des spins jusqu’aux non-linéarités en optique et en nanosciences. La seconde thématique s’intéresse à des questions fondamentales en théorie des champs et en physique mathématique comme la théorie des champs conformes, les systèmes intégrables quantiques, les théories des cordes, la gravité quantique. Le troisième thème couvre des domaines à l’interface entre la théorie des champs et des expériences en physique des particules aux collisionneurs (LHC), astroparticules ou cosmologie, notamment: la physique hadronique; la théorie et phénoménologie de la supersymétrie; la matière noire et astroparticules; l’énergie noire et cosmologie. Contact : Jean-Louis Sauvajol, Directeur de Recherche CNRS Tel : 04 67 14 35 92 Jean-Louis. Sauvajol@univ-montp2.fr

L'énergie noire ou la face cachée de l'expansion de l'univers.

Plusieurs théoriciens de la composante Physique Théorique du Laboratoire Charles Coulomb de Montpellier travaillent sur des thématiques directement liées à la cosmologie et plusieurs thèses ont été soutenues dans les domaines de la gravitation, de la matière noire et de l'énergie noire dont il sera plus spécifiquement question ici. On sait depuis la fin des années 20 que notre univers est en expansion: les galaxies qu'il contient s'éloignent les unes des autres et cette vitesse de récession est d'autant plus grande que la distance entre elles est grande un peu comme deux croix dessinées sur un ballon qu'on gonflerait. Elle est de plus proportionnelle à la vitesse d'expansion de l'univers.

La gravitation est responsable de ces phénomènes qui sont décrits avec la théorie relativiste de la gravitation finalisée par Albert Einstein en 1915, la Relativité Générale. Dans la cosmologie "Big-Bang", notre univers est né d'une grande explosion initiale. Il s'est ensuite refroidi au cours de son expansion. Un des piliers spectaculaires de ce modèle est l'existence d'un rayonnement de fond thermalisé dont la température est proche de 2.7 degrés Kelvin. Ce rayonnement a été découvert en 1965. De très petits écarts de température, de l'ordre de 1/100.000 degrés Kelvin, nécessaires pour expliquer l'origine des galaxies, ont été détectés par la suite dans une série de grandes expériences satellitaires culminant avec le satellite Planck lancé en 2009. Pour finir, l'age de l'univers, le temps nous séparant de l'explosion initiale, serait d'environ 14 milliards d'années. Une énorme surprise attendait les chercheurs vers la fin des années 90. En mesurant le flux qui nous parvient et qui est émis par des chandelles standard, les Supernovae de type Ia, on peut reconstituer la vitesse d'expansion récente de notre univers: ces données suggèrent que l'expansion de notre univers accélère! Cette découverte bouleverse notre perception de l'univers car dans le modèle Big Bang standard, cette vitesse va en décroissant. Ce bouleversement est si important que tous les principes de base sont remis en question. Pour expliquer cette accélération de l'expansion on introduit un constituant particulier appelé énergie noire, ayant la propriété curieuse d'exercer une pression négative. Les observations nous disent que plus de deux tiers du contenu de l'univers est sous la forme d'énergie noire. Le candidat le plus économique est une constante cosmologique (déjà imaginée par Einstein dans un tout autre contexte!) mais cette "énergie du vide" pose problème du fait de sa petitesse. C'est pourquoi beaucoup d'autres candidats ont été envisagés. On peut aller plus loin en invoquant une modification de la gravitation aux échelles cosmologiques ce qui aurait le même effet que l'énergie noire. Selon le type d'énergie noire que l'on considère le futur de notre univers s'en trouve totalement modifié.

Comprendre le mécanisme qui accélère l'expansion de l'univers est devenu un enjeu majeur de la cosmologie et de la physique théorique. Grâce à des expériences de grande envergure dans les années à venir dans lesquelles la France est bien représentée, les observateurs espèrent en apprendre suffisamment sur l'énergie noire pour permettre aux théoriciens de comprendre son origine. Contact : David Polarski, Professeur à l’Université Montpellier 2 Tel : 04 67 14 93 29 Mel : David.Polarski@univ-montp2.fr

Atomes, colloïdes et grains : Quelques exemples de matériaux désordonnés

Lorsque l’on enseigne les différents états de la matière, on prend souvent l’exemple de l’eau que l’on peut trouver, à pression atmosphérique, à l’état de gaz au-dessus de 100 °C, de liquide au-dessus de 0 °C, ou de solide cristallin lorsqu’il gèle. Pourtant, cette classification ne rend pas bien compte de l’extraordinaire diversité des états de la matière que l’on rencontre ne serait-ce qu’en promenant notre regard autour de nous. Le verre, par exemple, devient un solide en refroidissant (voir l’image du souffleur de verre ci-dessous), mais sa structure à l’échelle atomique est aussi désordonnée que celle d’un liquide. Le verre n’entre donc pas dans notre classification naïve. C’est encore le cas de beaucoup d’autres matériaux. Nos salles de bain regorgent de gels et de mousses, qui sont autant d’exemples de matériaux complètement désordonnés au niveau microscopique, et qui ne sont ni fluides, ni solides. Enfin, un empilement compact de grains de sable est un dernier exemple magnifique de matériau suffisamment solide pour pouvoir supporter le poids d’un être humain (voir l’exemple de la dune ci-dessous), mais l’arrangement des grains dans le tas de sable est de nouveau bien différent de celui d’un solide cristallin.

Au laboratoire Charles Coulomb, nous étudions une grande diversité de matériaux désordonnés. Nous utilisons des expériences pour caractériser les propriétés (par exemple thermiques, mécaniques, etc.) de ces différents materiaux, et tentons de relier la physique observée à l’échelle macroscopique à leur structure microscopique désordonnée, que nous voulons aussi mieux comprendre. Nous utilisons souvent l’outil numérique qui nous permet de développer et d’étudier en très grand détail des systèmes modèles plus simples de matériaux désordonnés, comme les verres ou les gels. Enfin, nous utilisons l’outil théorique de la mécanique statistique pour tenter de comprendre, à un niveau plus fondamental, si la matière désordonnée représente un vrai « quatrième état » de la matière, et si oui, quelles sont les conditions thermodynamiques pour lesquelles tel matériau peut par exemple devenir un verre, ou un tas de sable se comporter comme un solide.

Contact : Ludovic Berthier, Directeur de Recherche CNRS Tel : 04 67 14 35 38 Ludovic.Berthier@univ-montp2.fr

Ondes de Plasma dans les Nanostructures semi-conductrices: Emission et Détection THz Le domaine Terahertz (THz) est la partie du spectre électromagnétique située entre l’infrarouge et les micro-ondes. D’un point de vue fréquentiel, il s’étend de 0.1 THz à une dizaine de THz, soit de 30 µm à 3 mm en longueur d’onde. Ces ondes pénètrent un grand nombre de matériaux opaques dans le domaine visible et bien que fortement absorbées par l’eau, ces radiations peuvent également traverser plusieurs millimètres de tissus vivants. De plus, un grand nombre de modes d’excitations électroniques et moléculaires se situent dans ce domaine de fréquences. Malgré un nombre considérable d’applications potentielles dans les domaines de l’imagerie, de la spectroscopie ou de la télécommunication, cette zone du spectre électromagnétique est souvent désignée par "gap THz", du fait d’un manque de sources compactes, mais aussi de détecteurs sensibles et rapides. Or, au début des années 90, M. Dyakonov (L2C-PT, Montpellier) et M. Shur (RPI, New York) ont prévu que les transistors de tailles nanométriques peuvent se comporter comme des émetteurs et détecteurs de radiations THz par le biais des oscillations de plasma dans le canal. De manière à mieux appréhender la physique de l’instabilité Dyakonov-Shur, ils ont proposé une analogie entre un instrument de musique à vent, produisant un son dont la fréquence est définie par la longueur de sa cavité résonante, et un transistor nanométrique, dans le canal duquel les ondes de plasma peuvent devenir instables et ainsi générer une radiation de fréquence THz définie par la longueur de la grille du transistor. Ce n’est que grâce à la miniaturisation des transistors que la théorie de la « flute à électrons THz » a pu être confirmée expérimentalement pour la première fois par l’équipe de W. Knap (L2C-SMC, Montpellier). Il a donc été démontré dès 2002 la détection résonante et non résonante de radiations THz par les ondes de plasma dans des transistors à base de GaAs, InGaAs et GaN. En 2004, l’équipe du L2C a également démontré à la fois l’émission THz dans des transistors de haute mobilité à base d’InGaAs ainsi que la détection non résonante de radiations THz par des transistors à base de silicium. Cette dernière démonstration expérimentale a ouvert la voie des applications ultilisant les détecteurs THz à ondes de plasma. La sensibilité des détecteurs plasma est en effet tout à fait comparable à celle reportée pour des dispositifs actuellement commercialisés, en ayant de plus une fréquence d’échantillonnage bien plus élevée. Il faut aussi noter que le grand avantage des transistors repose sur leur facile intégration en matrices permettant de réaliser des caméras THz de haute résolution. Il est donc envisageable par exemple d’évaluer le taux d’hydratation des plantes en mesurant l’absorption THz au travers d’une feuille de la plante à contrôler, comme le suggère la figure suivante.

Contact : Wojciech Knap, Directeur de Recherche CNRS

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X position (mm)

Y po

sitio

n (m

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18.0µ

24.0µ

30.0µ

Image à 0.3 THz avec un nano-transistor entant que détecteur, montrant une feuille de vigne attaquée par une algue-champignon microscopique, le mildiou. Les nervures principales et secondaires de la feuille sont plus visibles que le limbe car plus hydratées.

Image du faisceau provenant du BWO à 1.05 THz à température ambiante avec un pixel base sur la technologie MOSFET Silicium spécialement designé. Les axes X et Y représentent la position du détecteur en mm.

Tel : 04 67 14 32 17 et 06 88 33 75 11 Wojciek.Knap@univ-montp2.fr

Optique et Spectroscopie au L2C

Le L2C hérite des plateformes expérimentales de spectroscopie issues du LCVN et les GES, avec leurs spécificités et leurs originalités. Le but de cet exposé est de montrer que, mises ensemble, ces plateformes expérimentales couvrent un éventail de techniques en optique à la fois puissant, varié, et original, permettant d’aborder de nombreuses questions, qui relèvent de domaines très divers allant de la physique des semi-conducteurs, jusqu’à la biophysique, en passant par la matière molle, les milieux désordonnés etc. L’étude de domaines aussi variés implique également des équipements importants, qui permettent de couvrir des domaines spectraux très larges, de l’ultraviolet à l’infrarouge lointain.

La plupart de ces plateformes expérimentales se sont également dotées d’outils de microscopie permettant l’objet de nano-objets individuels tels que les nanotubes de carbone ou les boites quantiques de semi-conducteurs. Cette présentation tentera d’illustrer les nombreuses possibilités en spectroscopie optique au L2C à travers quelques exemples relevant de différentes méthodes spectroscopiques : spectroscopie vibrationnelle, non-linéaire, cohérente, résolue en temps, magnéto-optique ...

Le regroupement de l’ensemble de ces plateformes optiques au sein du L2C et dans un nouveau bâtiment, dans un futur proche, devrait accroître sensiblement les possibilités expérimentales en combinant toutes ces techniques avec une variété d’environnements échantillon, comme l’application de fortes pressions, forts champs magnétiques, basses et hautes températures, mesures électriques et optiques combinées…

Deux exemples d’imagerie réalisées par des équipes du L2C : à gauche visualisation du nombre de mono-couches de graphite (de 1 à 5) en micro-Raman, à droite microscopie de

cellules par génération de 2nde harmonique

Contact : Denis Scalbert, Directeur de Recherche CNRS Tel : 04 67 14 39 21 e-mail : Denis.Scalbert@univ-montp2.fr

Grands Plateaux Techniques Régionaux

Plateforme Rayons-X et Gamma

Plateforme Terahertz

Plateforme OMEGA

Dispositifs expérimentaux

Hyper-Raman

Manip pompe-sondeµ-Brillouin HR

PL résolue en temps