feuille rouge - Inac

FEUILLE ROUGE AVRIL
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FFEEUILLE
UILLE
RRO
UGE
OUGE
Avril 2003
493
Département de Recherche Fondamentale sur la Matière Condensée
B
QUAND LE FERRO
tion avec une résolution en énergie estimée à
1,5 eV et spatiale de l’ordre de 0,5 nm. Ces
DEPHASE LA SUPRA
structures fines sont caractéristiques de la liaison
RÈVES
...
LES LIAISONS NANOGRAPHIEES
P. Bayle-Guillemaud - SP2M - [email protected]
_______________________________
Nous avons réalisé une jonction su-
chimique locale (site cristallographique, environnement chimique…). On a pu ainsi observer
l’évolution de l’environnement de l’azote à
praconductrice avec une barrière
l’interface entre des couches d’AlN et de GaN
ferromagnétique. Cette jonction Jo (voir figure).
sephson d'un type nouveau possède
Nous disposons d’un microscope électroni-
une propriété très particulière qui
que à transmission (Jeol 300kV) équipé d’un filtre
en énergie (Gatan Image Filter). Ce filtre permet
d’obtenir, soit des spectres de perte d’énergie des
électrons, soit des images filtrées en sélectionnant
une fenêtre d’énergie autour d’un seuil d’absorption d’un élément donné. Un positionnement minu-
pourrait être mise à profit pour réali
ser un objet quantique.
Voir au verso
En filigrane : Cartographie chimique de particules de Ni0.9Fe0.1 (¨E = 10 eV). Rouge : Fe, vert :
O, bleu : Ni.
tieux des fenêtres (largeur ∆ E = 10 à 20 eV)
permet ainsi de réaliser la cartographie des différents éléments en présence, avec une résolution
spatiale inférieure au nanomètre. Le filigrane
LES MATERIAUX FONT DU
YOGA
S. Lyonnard - SI3M - [email protected]
montre un exemple de reconstruction d’une image
(traditionnellement le proton) avec la surface de
la matière étudiée : on peut ainsi sonder la
dynamique du proton dans des milieux confinés et obtenir des informations directes sur la
géométrie du confinement, la tortuosité, les
temps de résidence caractéristiques du proton
à partir de trois cartographies de particules de
La relaxométrie RMN permet de mesurer la
dans une porosité, le temps de diffusion dans
Ni0.9 Fe0.1. Cette image met en évidence la pré-
dynamique atomique ou moléculaire à des
des canaux de conduction, etc…
sence d’une coquille d’oxyde d’une épaisseur de
échelles de temps dites intermédiaires, assez
Nous avons étudié la dynamique du pro-
l’ordre de 2 à 3 nm. Une analyse de la structure
difficiles d'accès (de l'ordre de la microse-
ton dans deux membranes ionomères pour pile
fine permet de déterminer la nature chimique de
conde). Cette technique complète les méthodes
à combustible : Nafion et polyimides. La re-
cet oxyde.
de diffusion de rayonnement qui permettent de
laxométrie nous a permis de distinguer les
sonder les dynamiques extrêmement rapides et
différents mécanismes d'adsorption d'eau.
les mesures macroscopiques.
Dans le Nafion, la réponse de cette eau à
Nous avons récemment optimisé ce mode
d’imagerie en faisant l’acquisition et le traitement
de série d’images avec des fenêtres en énergie
Le principe de la relaxométrie est d'appli-
l'excitation en fréquence est un plateau
très étroites (1 à 3 eV). On peut ainsi obtenir des
quer un champ magnétique constant et intense
dans presque toute la gamme. Ceci est la
images utilisant la structure fine des seuils d’ionisa-
sur l'échantillon afin d'orienter les spins des
signature d'un comportement de l'eau en
noyaux, puis de mesurer la relaxation de ces
volume ; les mouvements du proton sont
spins dans un champ variable, d'intensité beau-
peu gênés par le confinement. C'est tout le
coup plus faible, dans la gamme de fréquence
contraire dans les membranes polyimides.
0,01-10 MHz. Il ne s'agit pas d'une technique
Spectres à l'interface AlN/GaN reconstruits à
partir d'une série d'images filtrées.
Nous
espérons
pouvoir
quantifier
de RMN classique, pour laquelle une excellente
prochainement les seuils de percolation
résolution est requise afin de mesurer des raies
éventuels des zones hydratées, paramètres
caractéristiques de la chimie du matériau. Le
essentiels pour évaluer les performances
relaxomètre est en réalité une sorte de
de conduction ionique d'une membrane.
"magnétomètre". L'intérêt est de mesurer la
Le DRFMC se dotera bientôt d'un re-
réponse d'un échantillon à des sollicitations en
laxomètre dont il n'existe pour l'instant
fréquence sur une gamme très étendue. Les
qu'un exemplaire en France.
réponses obtenues traduisent directement l'inte-
raction
de
la
Direction des Sciences de la Matière
sonde
.
employée
CEA-GRENOBLE
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QUAND LE FERRO DEPHASE LA SUPRA
C. Baraduc - SPSMS - [email protected]
Actuellement à SPINTEC
Une jonction Josephson classique est compo-
nument quand la température diminue comme
de π alors qu’elles ont la même phase dans
sée de deux électrodes supraconductrices sépa-
dans une jonction Josephson classique. Mais il
une jonction Josephson standard. L’existence
rées par une barrière non-supraconductrice. Il est
augmente légèrement puis diminue et change
de ce déphasage en l’absence de courant est
possible de faire circuler un courant supra-
de signe à basse température (voir Fig. 2).
une propriété très originale de cette jonction : si
conducteur à travers cette jonction sans générer
L’état de courant critique négatif correspond à
on connecte entre elles les deux électrodes
de tension : les paires d’électrons, porteurs de
une jonction Josephson d’un type nouveau : la
pour former un anneau supraconducteur (voir
charge de la supraconductivité, peuvent passer
jonction π. Nous avons expliqué l’origine de ce
Fig. 3) un courant circulera spontanément ! Ce
d’une électrode à l’autre par effet tunnel ou via
courant critique négatif par le fait que le ferro-
courant peut circuler indifféremment dans un
des états liés. Le courant supraconducteur maxi-
magnétisme modifie la distribution des niveaux
sens ou dans l’autre ; on peut aussi imaginer
mal qui peut traverser la jonction est appelé
d’énergie des porteurs supraconducteurs dans
une superposition quantique des deux sens de
courant critique.
la barrière.
circulation, réalisant ainsi un chat de Schroe-
dinger…
Ferro
0
À π
Fig. 1 : Jonction Supra/FFerro/SSupra (à gauche,, vue de dessus, et à droite, vue en
coupe). La jonction est un plot de 10 x 10 µm2 ; l’électrode supérieure (en jaune)
prend le contact sur la jonction à travers une fenêtre d’isolant.
∆φ
L’intérêt de notre travail a été de remplacer
Quand une jonction de ce type est à l’équi-
la barrière normale des jonctions Josephson
libre (c’est à dire à courant nul), les électrodes
habituelles par une couche métallique ferroma-
supraconductrices ont une différence de phase
Supra
gnétique. L’association d’un supraconducteur
1400
tion délicate mais passionnante du point de vue
1200
1000
800
600
400
200
0
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-800
-1000
fondamental, car ces deux états sont antagonistes. Le ferromagnétisme génère spontanément un
moment magnétique macroscopique ; or la
supraconductivité est détruite par un champ
magnétique suffisamment élevé. Pour réaliser un
sandwich Supra/Ferro/Supra nous avons dû
utiliser un alliage très faiblement ferromagnétique
pour que la supraconductivité des électrodes ne
soit pas détruite par la proximité de la couche
ferromagnétique (voir Fig. 1).
Ces jonctions Josephson à barrière ferromagnétique présentent une caractéristique très originale. Le courant critique n’augmente pas continû-
Courantcritique(µA)
avec un matériau ferromagnétique est une opéra-
0
Fig. 3 : Jonction π insérée dans un anneau
supraconducteur. La différence de phase π
qui apparaît aux bornes de la jonction crée un
gradient de phase ∆φ dans le reste de l’anneau ; ce gradient provoque la circulation
d’un courant spontané dans l’anneau.
jonctionJosephson
Ic>0
P ha se d u s up ra c on d u ct eu r
Ic<0
Jonctionπ
2
4
6
L’ensemble des paires d’électrons est décrit par une fonction d’onde qui possède une
phase donnée. Lorsqu’il y a un
gradient de phase dans un
matériau supraconducteur, il y
a circulation d’un courant.
8
Temp rature(K)
Température (K)
Fig. 2 : Courant critique en fonction de la température dans une jonction Nb/Cu52Ni48(18
nm)/Nb (courbe bleue). La courbe noire donne
l’allure du courant critique dans une jonction
Josephson classique, pour comparaison.
Comité de rédaction : J.P. Duraud, E. Molva, A. Pesnelle (DIR), C. Baraduc (SPINTEC), P. Dalmas de Réotier (SPSMS), Th. Douki (SCIB),
D. Jalabert (SP2M), S. Lyonnard (SI3M), R. Vallcorba (SBT) - Secrétaire de rédaction : D. Bruel (DIR) tél. 04 38 78 38 04