Dossier de presse - Laboratoire Charles Coulomb - Université ...

UMR 5221Inauguration5 Avril 2011

Le laboratoire Charles CoulombUnité mixte de recherche CNRS-Université Montpellier 2Le laboratoire Charles Coulomb (L2C), (UMR 5221) a été créé au 1 er janvier 2011 parla fusion du Laboratoire des Colloïdes, Verres et Nanomatériaux (LCVN, UMR 5587), duGroupe d’Etude des Semi-conducteurs (GES, UMR5650) et du groupe de Physique Théoriquedu Laboratoire de Physique Théorique et Astroparticules (LPTA, UMR 5207). Il a l’Institutde Physique (INP) du CNRS comme Institut principal et l’Institut de Chimie (INC), l’Institutdes Sciences de l’Ingénierie et des Systèmes (INSIS) et l’Institut National de PhysiqueNucléaire et de Physique des Particules (IN2P3) comme instituts secondaires. Le L2C compteactuellement au total 220 membres parmi lesquels une centaine de chercheurs etd’enseignants-chercheurs et une cinquantaine d’ingénieurs, techniciens et administratifspermanents.Ses objectifs scientifiques s’inscrivent au cœur de la recherche fondamentale. Le L2Cse distingue par la particularité, relativement unique au niveau national, de posséder au seind’une même unité un large éventail de compétences allant de la physique théorique la plusfondamentale à la biophysique, avec une grande part de ses activités théoriques etexpérimentales tournées vers la physique de la matière condensée et les nanosciences. Le L2Ca aussi la caractéristique de disposer d’un ensemble de techniques expérimentales decaractérisation et d’études de la matière condensée, en particulier une plateforme despectroscopies 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 grandesclasses 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 parsimulations numériques, la structure et la dynamique de la matière sur des échelle spatialescomprises 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 niveaucollectif (comportement macroscopique) mais aussi au niveau des nano-objets individuels quiles constituent (nanosciences). Cette recherche fondamentale peut-être ensuite valorisée par leréseau de collaborations industrielles que le département a développées.Bien que l’activité au coeur du Département Semiconducteurs, Matériaux etCapteurs (SMC) soit la physique des semiconducteurs, science qui est à la base del’électronique, qui envahit aujourd’hui notre quotidien, son champ d’investigation s’est élarginotablement pour inclure la biophysique, avec les interfaces semiconducteur/vivant, lesnanotechnologies appliquées à l’imagerie et à ses applications médicales, les matériaux non-

cristallins/vitreux (pour des applications à des capteurs utiles en biomédical ou enenvironnement jusqu’à la conception des nouvelles générations de verres ophtalmiques(lunettes)). Les nanotechnologies et les nanosciences sont au coeur des activités duDépartement et le champ des problématiques va de la recherche très appliquée à la théorie, enincluant la synthèse de nouveaux matériaux, la détermination fine de leur propriétés par unegrande variété de techniques (microscopies, optique, mesures électriques, rayons X, …), desétudes physiques sophistiquées (à des échelles de temps très courts jusqu’au millième demilliardième de seconde, ou en utilisant des pressions très élevées (jusqu’à 15000 fois lapression atmosphérique) et des champs magnétiques très intense (plusieurs centaines demillier de fois le champ magnétique terrestre, …). Toutes ces études visent à la fois àaugmenter notre compréhension du monde qui nous entoure, mais aussi à développer denouvelles technologies, qui contribueront à augmenter notre compétitivité industrielle.Le Département de Physique Théorique développe des recherches à caractèrefondamental autour de trois thématiques : le première concerne la modélisation des systèmescomplexes et des phénomènes non-linéaires. Les domaines d’application recouvrent lessystèmes biologiques moléculaires et cellulaires, la mécanique des fluides, la physique desspins jusqu’aux non-linéarités en optique et en nanosciences. La seconde thématiques’intéresse à des questions fondamentales en théorie des champs et en physique mathématiquecomme la théorie des champs conformes, les systèmes intégrables quantiques, les théories descordes, la gravité quantique. Le troisième thème couvre des domaines à l’interface entre lathéorie des champs et des expériences en physique des particules aux collisionneurs (LHC),astroparticules ou cosmologie, notamment: la physique hadronique; la théorie etphénoménologie de la supersymétrie; la matière noire et astroparticules; l’énergie noire etcosmologie.Contact : Jean-Louis Sauvajol, Directeur de Recherche CNRSTel : 04 67 14 35 92Jean-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 CharlesCoulomb de Montpellier travaillent sur des thématiques directement liées à la cosmologie etplusieurs thèses ont été soutenues dans les domaines de la gravitation, de la matière noire et del'énergie noire dont il sera plus spécifiquement question ici. On sait depuis la fin des années 20 quenotre univers est en expansion: les galaxies qu'il contient s'éloignent les unes des autres et cettevitesse de récession est d'autant plus grande que la distance entre elles est grande un peu commedeux croix dessinées sur un ballon qu'on gonflerait. Elle est de plus proportionnelle à la vitessed'expansion de l'univers.La gravitation est responsable de ces phénomènes qui sont décrits avec la théorie relativistede 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 deson expansion. Un des piliers spectaculaires de ce modèle est l'existence d'un rayonnement de fondthermalisé dont la température est proche de 2.7 degrés Kelvin. Ce rayonnement a été découvert en1965. De très petits écarts de température, de l'ordre de 1/100.000 degrés Kelvin, nécessaires pourexpliquer l'origine des galaxies, ont été détectés par la suite dans une série de grandes expériencessatellitaires culminant avec le satellite Planck lancé en 2009. Pour finir, l'age de l'univers, le tempsnous séparant de l'explosion initiale, serait d'environ 14 milliards d'années. Une énorme surpriseattendait les chercheurs vers la fin des années 90. En mesurant le flux qui nous parvient et qui estémis par des chandelles standard, les Supernovae de type Ia, on peut reconstituer la vitessed'expansion récente de notre univers: ces données suggèrent que l'expansion de notre universaccélère! Cette découverte bouleverse notre perception de l'univers car dans le modèle Big Bangstandard, cette vitesse va en décroissant. Ce bouleversement est si important que tous les principesde base sont remis en question. Pour expliquer cette accélération de l'expansion on introduit unconstituant particulier appelé énergie noire, ayant la propriété curieuse d'exercer une pressionnégative. Les observations nous disent que plus de deux tiers du contenu de l'univers est sous laforme d'énergie noire. Le candidat le plus économique est une constante cosmologique (déjàimaginée par Einstein dans un tout autre contexte!) mais cette "énergie du vide" pose problème dufait de sa petitesse. C'est pourquoi beaucoup d'autres candidats ont été envisagés. On peut aller plusloin en invoquant une modification de la gravitation aux échelles cosmologiques ce qui aurait lemême effet que l'énergie noire. Selon le type d'énergie noire que l'on considère le futur de notreunivers s'en trouve totalement modifié.Comprendre le mécanisme qui accélère l'expansion de l'univers est devenu un enjeu majeurde la cosmologie et de la physique théorique. Grâce à des expériences de grande envergure dans lesannées à venir dans lesquelles la France est bien représentée, les observateurs espèrent enapprendre suffisamment sur l'énergie noire pour permettre aux théoriciens de comprendre sonorigine.Contact : David Polarski, Professeur à l’Université Montpellier 2Tel : 04 67 14 93 29Mel : David.Polarski@univ-montp2.fr

Atomes, colloïdes et grains : Quelques exemples de matériaux désordonnésLorsque l’on enseigne les différents états de la matière, on prend souventl’exemple de l’eau que l’on peut trouver, à pression atmosphérique, à l’état de gaz audessusde 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 desétats de la matière que l’on rencontre ne serait-ce qu’en promenant notre regard autour denous. Le verre, par exemple, devient un solide en refroidissant (voir l’image du souffleurde verre ci-dessous), mais sa structure à l’échelle atomique est aussi désordonnée quecelle d’un liquide. Le verre n’entre donc pas dans notre classification naïve. C’est encorele 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 niveaumicroscopique, et qui ne sont ni fluides, ni solides. Enfin, un empilement compact degrains de sable est un dernier exemple magnifique de matériau suffisamment solide pourpouvoir supporter le poids d’un être humain (voir l’exemple de la dune ci-dessous), maisl’arrangement des grains dans le tas de sable est de nouveau bien différent de celui d’unsolide cristallin.Au laboratoire Charles Coulomb, nous étudions une grande diversité de matériauxdésordonnés. Nous utilisons des expériences pour caractériser les propriétés (par exemplethermiques, mécaniques, etc.) de ces différents materiaux, et tentons de relier la physiqueobservée à l’échelle macroscopique à leur structure microscopique désordonnée, quenous voulons aussi mieux comprendre. Nous utilisons souvent l’outil numérique qui nouspermet de développer et d’étudier en très grand détail des systèmes modèles plus simplesde matériaux désordonnés, comme les verres ou les gels. Enfin, nous utilisons l’outilthéorique de la mécanique statistique pour tenter de comprendre, à un niveau plusfondamental, si la matière désordonnée représente un vrai « quatrième état » de la matière,et si oui, quelles sont les conditions thermodynamiques pour lesquelles tel matériau peutpar exemple devenir un verre, ou un tas de sable se comporter comme un solide.Contact : Ludovic Berthier, Directeur de Recherche CNRSTel : 04 67 14 35 38Ludovic.Berthier@univ-montp2.fr

Ondes de Plasma dans les Nanostructures semi-conductrices: Emission et Détection THzLe domaine Terahertz (THz) est la partie du spectre électromagnétique située entrel’infrarouge et les micro-ondes. D’un point de vue fréquentiel, il s’étend de 0.1 THz à unedizaine de THz, soit de 30 µm à 3 mm en longueur d’onde. Ces ondes pénètrent un grandnombre de matériaux opaques dans le domaine visible et bien que fortement absorbées parl’eau, ces radiations peuvent également traverser plusieurs millimètres de tissus vivants. Deplus, un grand nombre de modes d’excitations électroniques et moléculaires se situent dans cedomaine de fréquences. Malgré un nombre considérable d’applications potentielles dans lesdomaines de l’imagerie, de la spectroscopie ou de la télécommunication, cette zone du spectreélectromagnétique est souvent désignée par "gap THz", du fait d’un manque de sourcescompactes, 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 transistorsde tailles nanométriques peuvent se comporter comme des émetteurs et détecteurs deradiations THz par le biais des oscillations de plasma dans le canal. De manière à mieuxappréhender la physique de l’instabilité Dyakonov-Shur, ils ont proposé une analogie entre uninstrument de musique à vent, produisant un son dont la fréquence est définie par la longueurde sa cavité résonante, et un transistor nanométrique, dans le canal duquel les ondes de plasmapeuvent devenir instables et ainsi générer une radiation de fréquence THz définie par lalongueur de la grille du transistor. Ce n’est que grâce à la miniaturisation des transistors que lathéorie de la « flute à électrons THz » a pu être confirmée expérimentalement pour lapremière fois par l’équipe de W. Knap (L2C-SMC, Montpellier). Il a donc été démontré dès2002 la détection résonante et non résonante de radiations THz par les ondes de plasma dansdes transistors à base de GaAs, InGaAs et GaN. En 2004, l’équipe du L2C a égalementdémontré à la fois l’émission THz dans des transistors de haute mobilité à base d’InGaAsainsi 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 lesdétecteurs THz à ondes de plasma. La sensibilité des détecteurs plasma est en effet tout à faitcomparable à celle reportée pour des dispositifs actuellement commercialisés, en ayant deplus une fréquence d’échantillonnage bien plus élevée. Il faut aussi noter que le grandavantage des transistors repose sur leur facile intégration en matrices permettant de réaliserdes caméras THz de haute résolution. Il est donc envisageable par exemple d’évaluer le tauxd’hydratation des plantes en mesurant l’absorption THz au travers d’une feuille de la plante àcontrôler, comme le suggère la figure suivante.50Y position (mm)43216.00µ12.0µ18.0µ24.0µImage à 0.3 THz avec un nano-transistor entant quedétecteur, montrant une feuille de vigne attaquée parune algue-champignon microscopique, le mildiou. Lesnervures principales et secondaires de la feuille sontplus visibles que le limbe car plus hydratées.Contact : Wojciech Knap, Directeur de Recherche CNRSTel : 04 67 14 32 17 et 06 88 33 75 11Wojciek.Knap@univ-montp2.fr00 1 2 3 4 5X position (mm)30.0µImage du faisceau provenant du BWO à 1.05 THz àtempérature ambiante avec un pixel base sur latechnologie MOSFET Silicium spécialement designé.Les axes X et Y représentent la position du détecteuren mm.

Optique et Spectroscopie au L2CLe L2C hérite des plateformes expérimentales de spectroscopie issues du LCVNet les GES, avec leurs spécificités et leurs originalités. Le but de cet exposé est demontrer que, mises ensemble, ces plateformes expérimentales couvrent un éventail detechniques en optique à la fois puissant, varié, et original, permettant d’aborder denombreuses questions, qui relèvent de domaines très divers allant de la physique dessemi-conducteurs, jusqu’à la biophysique, en passant par la matière molle, les milieuxdésordonnés etc. L’étude de domaines aussi variés implique également des équipementsimportants, qui permettent de couvrir des domaines spectraux très larges, de l’ultravioletà l’infrarouge lointain.La plupart de ces plateformes expérimentales se sont également dotées d’outils demicroscopie permettant l’objet de nano-objets individuels tels que les nanotubes decarbone ou les boites quantiques de semi-conducteurs.Cette présentation tentera d’illustrer les nombreuses possibilités en spectroscopie optiqueau L2C à travers quelques exemples relevant de différentes méthodes spectroscopiques :spectroscopie vibrationnelle, non-linéaire, cohérente, résolue en temps, magnétooptique...Le regroupement de l’ensemble de ces plateformes optiques au sein du L2C etdans un nouveau bâtiment, dans un futur proche, devrait accroître sensiblement lespossibilités expérimentales en combinant toutes ces techniques avec une variétéd’environnements échantillon, comme l’application de fortes pressions, forts champsmagnétiques, basses et hautes températures, mesures électriques et optiques combinées…Deux exemples d’imagerie réalisées par des équipes du L2C : à gauche visualisation dunombre de mono-couches de graphite (de 1 à 5) en micro-Raman, à droite microscopie decellules par génération de 2 nde harmoniqueContact : Denis Scalbert, Directeur de Recherche CNRSTel : 04 67 14 39 21e-mail : Denis.Scalbert@univ-montp2.fr

Grands Plateaux Techniques RégionauxPlateforme Rayons-X et GammaPlateforme TerahertzPlateforme OMEGADispositifs expérimentauxHyper-Ramanµ-Brillouin HRManip pompe-sondePL résolue en temps