15 octobre 2009
Tsunami électronique (1)
J'espère bien qu'un jour mes collègues arriveront à jouer les rois de la glisse avec des électrons dans des nanocircuits mais en attendant, c'est intéressant d'étudier le comportement d'une vague d'électrons (comprenez une distribution hors d'équilibre)... En sortie d'une pile électrique, c'est un peu comme si on lancait une sorte de "mascaret électronique" dans le circuit. Mais du fait des intéractions entre électrons, il ne va pas rester tel quel: peu à peu, le mascaret va s'arrondir et se transformer en excitations thermiques.
Jusqu'à récemment, voir ce phénomène en "direct" relevait du rève. Durant les années 90, cela a été étudié par le groupe Quantronics du CEA à Saclay dans des fils contenant des impuretés (fils "diffusifs") et les résultats obtenus avaient été expliqués au moyen d'un modèle dans le même esprit que la théorie cinétique des gaz de Boltzmann. Evidemment il faut prendre en compte le fait que deux électrons ne peuvent être au même endroit (principe d'exclusion) mais ça marche et cela avait permis d'obtenir une information quantitative sur les collisions électroniques dans ces systèmes.
Cependant le même phénomène n'avait jamais été observé dans un système "propre", c'est à dire où les électrons se propagent sans rencontrer d'impuretés (on parle de "conducteurs ballistiques"). C'est maintenant faisable avec une jolie expérience de l'équipe Phynano du Laboratoire de Photonique et Nanostructures à Marcoussis qui ont étudié la relaxation d'énergie des électrons dans les canaux de bords électronique. Ce travail repose sur une technique expérimentale nouvelle permettant de mesurer la distribution en énergie des électrons en un point donné du conducteur. Un premier article sur la technique de mesure va être publié dans Nature Physics et d'autres sont en cours de finalisation.
Et cela excite les théoriciens ce qui explique pourquoi deux articles ont été rendus disponibles hier sur ce sujet en lien direct avec l'expérience ci dessus.
Dans ces systèmes, on pense que la physique est dominée par les intéractions électroniques... Et si on pousse cette philosophie à son terme, on décrit le fluide électronique non plus en termes d'électrons mais d'ondes de densité de charge électrique qu'on appelle des plasmons. C'est l'approche que nous avons choisi pour modéliser le surf électronique et que nous l'avons adaptée dans le cas présent. Prédire l'évolution du mascaret électronique en ces termes est vraiment un problème compliqué car celui ci est difficile à décrire en termes de plasmons. Mais en revanche, calculer comment l'énergie totale contenue dans la vague évolue est particulièrement simple.
C'est ce que nous avons fait dans un nouvel article et la comparaison avec l'expérience s'avère plutôt bonne! En gros, dans un système à deux canaux, le modèle le plus simple de propagation des ondes de densité de charge reproduit les résultats expérimentaux dans les grandes lignes... mais près de 25 % de l'énergie part "ailleurs". Grace à l'expérience on sait que ce n'est pas en dehors des canaux et donc cela suggère que le modèle le plus simple ne suffit pas pour un accord précis théorie/expérience... Des variantes plus compliquées du modèle existent mais pour aller plus loin, il faudrait avoir des indications sur ce qui se passe vraiment. L'énergie totale est une quantité "globale" et en tant que telle, elle ne permet pas de voir les choses finement. D'où l'idée d'analyser les fluctuations de courant par bande de fréquence pour gagner une information plus précise sur les processus à l'oeuvre...
L'autre papier théorique mis en ligne hier adopte une approche plus proche de Boltzmann qui consiste à discuter comment la répartition en énergie des électrons évolue lors de la propagation. C'est un problème à priori compliqué mais l'idée consiste à dire que sur de courtes distances, on peut traiter les interactions de manière perturbative. On obtient alors une formule analytique qui peut ensuite être itérée numériquement. Le modèle repose sur une prise en compte du désordre dans les canaux de bords et donne également un bon accord avec les données expérimentales (eux aussi sont obligés de l'adapter pour prendre en compte une fuite d'énergie). En revanche, ils ne discutent pas des fluctuations de courant qui sont un objet plus compliqué à calculer dans cette approche.
Comme je le discuterai dans un prochain post, ces deux approches posent tout un tas de questions intéressantes. Ne serait-ce que celle de leur comparaison!
A suivre...
04 octobre 2009
Retraite spiriturelle à Aussois
Et voilà, demain je pars pour 4 jours à Aussois à la réunion annuelle du Groupe de Recherche du CNRS en Physique quantique mésoscopique. Ce n'est pas la première fois que j'y vais bien sur mais ce coup ci, je suis un des organisateurs.
Les "GDR" du CNRS, c'est vraiment un outil génial. Dans le principe c'est un laboratoire virtuel qui permet aux membres d'un même domaine de recherche en France d'organiser des réunions, des sessions de formation ou encore des mini colloques spécialisés. Le GDR, crée pour une période de 4 ans, éventuellement reconductible, dispose d'un budget pour tout cela. En pratique, dans le domaine où je travaille, c'est un outil vital qui nous permet de nous réunir, d'échanger sur l'avancée de nos travaux, de faire émerger de nouvelles idées pour un coût somme toute assez modeste. Sans un tel outil, nous serions profondément handicapés.
Si ça vous intéresse, demandez le programme!
23 juillet 2009
Le surf des qubits volants (II)
Ca y est, après une refonte assez importante, nous avons fini notre article sur la décohérence et la relaxation des paquets d'ondes cohérents dans les canaux de bord de l'effet Hall quantique. Il est maintenant accessible en ligne. Reste à voir ce qu'en diront les referees.
En gros, nous avons étudié un vieux problème qui est celui de la manière dont un électron injecté dans un métal perd de l'énergie du fait des interactions avec les autres électrons et le reste du monde. A priori c'est un problème vraiment très compliqué mais il existe une astuce qui permet de le traiter dans le cas d'un conducteur unidimensionnel. Et l'image que nous avons dégagée est particulièrement simple...
Ce qu'il faut comprendre, c'est que les électrons n'aiment pas être dans le même état. Du coup, dans un métal, ils remplissent les états disponibles en commençant par ceux d'énergies les plus basses. Ils forment donc une "mer" d'électrons dont la "surface" est formée par les états d'énergie la plus élevée et qui sont occupés à température nulle. Quand on monte la température, on crée des vagues qui se baladent dans tous les sens: la chaleur agite la mer... Quand on envoie une onde radio, on crée une vague à la même fréquence que l'onde.
Mais là, on rajoute un électron en plus... alors que se passe t'il ?
Eh bien c'est en fait assez simple:
- Pour une énergie assez basse, l'électron va perdre son énergie dans la limite des places disponibles. Mais qu'est ce que ça veut dire ?
Et celui que l'on rajoute a forcément une énergie supérieure et surtout ne pourra pas perdre trop d'énergie sous peine de se retrouver dans un niveau d'énergie déjà occupé par un autre électron... Donc forcément ça limite... Bref, s'il perd de l'énergie, l'électron disparait dans la petite vague qu'il a crée. Sinon il reste tel quel. Et dans les cas que nous avons considéré, il n'a que peu d'états disponibles pour perdre son énergie. Du coup, il est le plus souvent "bloqué" par la mer des autres électrons et tend à rester tel quel quand il rase la surface de la mer.
- Pour une énergie assez élevée, l'électron surfe sur la mer constituée par les autres électrons... Celle ci se trouve agitée par le passage de l'électron supplémentaire et donc lui prend de l'énergie, mais pas assez pour amaner l'électron à avoir une énergie comparable à ses petits copains. En gros, l'électron supplémentaire reste au dessus de la vague qu'il a lui même créee: c'est le régime du surf électronique...
En fait, le premier régime se produit pratiquement tout le temps. Mais ce n'est pas le cas du second. Parfois, les interactions entre les électrons et le reste du monde sont foutues de telle sorte qu'elles tendent à vraiment faire perdre beaucoup d'énergie à l'électron. Et du coup, plus de surf party... Dans ce cas, l'électron supplémentaire finit toujours par couler dans la mer des autres électrons. Et il a donc un temps de vie fini, même à très haute énergie.
Et dans certaines situations, c'est ce qui se produit. Mais ca c'est une autre histoire... que je vous raconterai une autre fois.
PS: A défaut d'un film d'électron en train de surfer, j'ai trouvé cette jolie image extraite de l'excellent film Les rois de la glisse.
27 mai 2009
Quel avenir pour les énergies renouvelables ?
Suite à mon post sur les changements introduits par Obama pour les automobiles aux USA, Cédric à posé une question très pertinente à laquelle je vais tenter de répondre:
Pourquoi n'ose-t-il pas aller plus loin dans la démarche en favorisant plus encore la recherche sur les énergies 'propres' plutôt que de se contenter de travailler sur les énergies fossiles alors que tous les scientifiques s'accordent à dire que ces ressources vont aller en s'amenuisant drastiquement dans les décennies à venir ?
C'est effectivement ce qu'il faut faire.
Mais en pratique, ce n'est pas si simple. Il existe peu d'énergies véritablement renouvelables: le solaire (thermique et photovoltaique), l'éolien, l'énergie des marées, l'hydroélectrique et la biomasse si elle est convenablement gérée.
Le problème, c'est que ces énergies ont des spécificités:
- L'éolien et le solaire et dans une certaine mesure l'hydroélectrique sont sujets à des variations selon les conditions météorologiques. C'est leur principal problème: l'adéquation entre la production et la consommation.
- Nombre de ces sources produisent de l'énergie électrique. Cela ne pose pas de problèmes lorsqu'elle est consommée dans l'instant mais il est difficile de stocker de l'énergie électrique (je détaille plus bas).
- Les installations à base de renouvelables ont une emprise au sol ou paysagère importante lorsqu'on veut produire de grosses puissances. Ainsi une éolienne de 2 MW mesure pratiquement 100 mètres de haut. Même en améliorant le concept, cela restera un vrai problème. De même, il faut se rappeler que pour produire 1 kW de puissance électrique en crète avec des panaux solaires, il faut de l'ordre de 10 à 20 mètres carrés de paneaux... un chiffre peu susceptible de s'améliorer compte tenu des contraintes physiques sur les cellules photovoltaiques. Ainsi les paneaux courants ont un rendement de 10 % et, même si des progrès sont prévisibles, il y a des limites au rendement.
Mais bon, dans ces trois points, seuls les deux premiers sont un véritable problème...
Pour contourner la difficulté, il faudrait pouvoir stocker l'énergie. Et c'est là que le bat blesse... Pour stocker de l'électricité, on connait plusieurs moyens dont trois principaux:
- Monter de l'eau en hauteur: c'est ce qui se fait dans nombre de centrales hydroélectriques d'EDF qui fonctionnent en mode reversible. Mais pour stocker la production d'une éolienne d'un MW tournant à plein régime sur une heure, il faut monter un peu plus de 3600 mêtres cubes d'eau sur 100 mètres ce qui représente un joli volume!
- Utiliser une batterie chimique: pratique mais lourd, très lourd. En fait, au mieux, on arrive avec des batteries Lithium/Ion (celles qui équipent les téléphones portables et qui font rouler les voitures Tesla) à 200 Wh/kg soit 50 fois moins qu'un hydrocarbure!
- Electrolyser de l'eau pour fabriquer de l'hydrogène: un grand espoir mais l'hydrogène a le mauvais gout d'être gazeux dans les conditions de température et de pression ordinaire et inflammable. Pour le stocker sous forme liquide, il faut le refroidir et ce n'est vraiment pas pratique et cela coute en énergie. On peut aussi le comprimer mais un réservoir sous haute pression pose des problèmes de sécurité et cela coute aussi de l'énergie de comprimer le gaz.
Comme le montre Jean-Marc Jancovivi dans la page suivante, les hydrocarbures constituent problablement le stockage le plus performant d'énergie dont on dispose. Seul le bois, utilisé pendant des milliers d'années par l'humanité, possède des propriétés comparables! Mais son utilisation libère des gaz à effet de serre. A ce niveau, la différence avec le pétrole ou le charbon réside dans le fait que bruler du bois rejette du CO2 que l'on peut espérer restocker assez rapidement par une gestion intelligente de la biomasse. Au contraire, en brulant du charbon, du pétrole ou du gaz, on rejette dans l'atmosphère du CO2 qui était stocké depuis des millions d'années. Au delà d'un certain point que nous avons déjà dépassé, on excède les capacités d'absorbtion de la biosphère.
A ma connaissance, au jour d'aujourd'hui, il n'y a eu aucune percée, même expérimentale, qui contourne ces limitations. Peut être que les nanotechnologies permettront la mise au point de batteries plus performantes, de nouvelles cellules solaires encore plus efficaces ou le stockage de l'hydrogène dans des conditions plus pratiques mais cela n'est pas encore fait. Peut être que l'ingéniérie génétique permettra la mise au point de plantes à croissance rapide permettant d'absorber rapidement du CO2 pour fabriquer du bois mais cela prendra du temps et posera des problèmes de gestion des écosystèmes non triviaux.
Bref, on est loin du yakafaukon... En l'absence de solution miracle, la seule solution, ce sont des économies massives partout où c'est possible. En particulier au niveau du logement, de la consommation et du transport. Ce n'est qu'en faisant ces efforts que le développement des renouvelables donnera son plein potentiel.
Dit autrement, investir dans les renouvelables c'est aller bien au delà des aspects techniques. C'est toute notre manière de vivre qui devra faire l'objet d'investissements massifs comme j'essaye de l'expliquer dans mes carbon fictions.
06 mai 2009
Le surf des qubits volants (I)
Ca y est: il est quasi fini... Après un an de travail, on va envoyer un article qui décrit la dynamique des qubits électroniques volants en prenant pleinement en compte les intéractions entre électrons. Ce travail est la continuation directe de dont j'ai déjà parlé sur ce blog. Mais dans notre article précédent, nous avions employé une approche simplifiée...
Dans un métal, il y a plein d'électrons qui intéragissent entre eux... Vraiment plein plein plein. Du coup, quand on introduit un électron supplémentaire dans un circuit, il se balade dans un environnement électromagnétique qui intégre l'effet des autres électrons. Habituellement, et c'est un peu ce que nous avions fait, on introduit un environnement "ad-hoc" qui intègre l'effet des autres électrons. En clair, on habille le "détecteur" d'une manière qui permet de prendre en compte l'effet des autres électrons.
Mais déjà, lorsque j'étais à Boston, je m'étais dit que ca serait bien d'aller plus loin. J'avais déjà traité ce problème à la fin des années 90 avec Stéphane Peysson, le premier doctorant que j'avais encadré. Mais nous n'avions pas tout compris! Comme mes collègues de l'ENS vont, j'espère, réaliser les expériences permettant de tester comment un électron "décohère" en se propageant, il était temps de revenir sur ce problème.
C'est ce que j'ai fait depuis mon retour des Etat-Unis. Pas seulement mais ca a occupé la plus grande partie de mon temps de recherche. L'image que nous avons dégagé est plutôt élégante mais je ne vous en dirai pas plus tant que l'article n'aura pas été soumis! Ce qui ne devrait plus tarder: on attend juste les retours de quelques collègues de confiance...
PS: Cette image montre la décohérence d'un chat de Schrödinger dans une expérience d'électrodynamique en cavité. Pour en savoir plus, allez voir la publication originale!
06 décembre 2008
Parution
Et voila, il est sorti: notre article dans Nature Nanotechnology sur le branlomètre à spin.
C'était prévu mais nous avons eu la surprise de faire la couverture du magazine. Visiblement l'article a intéressé les éditeurs. Du coup, vous pouvez en lire le texte intégral gratuitement!
Bonne lecture!
25 novembre 2008
Shaking spins in the nanoworld (3/3): epilogue ?
Et ensuite ? Maintenant que c'est publié et dans un journal présigieux, est-ce que le sujet est clos ? Que reste t'il à faire ?
Et bien en fait j'espère que cet article poussera des gens à reprendre ce type d'expérience en l'améliorant. En particulier, la détection magnétique n'est finalement pas une si bonne idée. Il faudrait envisager une détection capacitive qui éviterait l'apparition d'un signal supplémentaire important du aux forces de Laplace. Enfin le problème de la caractérisation de la réponse électromécanique est vraiment très compliqué mais indispensable pour rentrer en terrain pleinement quantitatif. Bref, c'est joli mais il y a encore beaucoup de travail en perspective pour faire mieux!
Mais qui va le faire ?
Mes collègues de Boston sont sans doute déjà sur d'autres projets car le propre du financement par projet, c'est aussi qu'on peut difficilement durer sur un même sujet. D'autres équipes alors ? Pas sur: l'article étant paru, beaucoup de gens risquent de juget le sujet un peu défloré et donc vont renoncer à faire les efforts nécessaires pour accomplir un progrès significatif.
C'est un peu le problème posé par la course à la publication dans des revues prestigieuses. C'est bien parce que cela permet la diffusion rapide des résultats (encore que là, il nous aura fallu du temps pour finaliser l'article)... mais d'un autre coté, ca tend à déflorer les sujets et donc, de facto, à les stériliser. Tout ca est un peu schizophrène mais en ce moment, on marche un peu sur la tête. Ceci étant, il y a encore des choses vraiment intéressantes à faire sur ce sujet.
08 novembre 2008
Shaking spins in the nanoworld (2/3): l'idée...
Certes, l'article est maintenant publié. Mais de quoi est-ce que ca cause ?
Il y a quelques années, Stefan Ketteman et Peter Fulde ont suggéré que l'on pourrait détecter le moment angulaire des électrons dans un métal au moyen d'un pendule nanomécanique.
L'idée est en fait très simple et élégante. Dans un métal magnétique, les électrons de conduction ont leur moment angulaire (et magnétique) aligné dans une direction donnée donnée par la polarisation du métal. Si on réalise une interface entre un métal ferromagnétique et un métal non magnétique, les électrons passant du métal magnétique au métal non magnétique vont se dépolariser. En clair, leur moment augulaire va tourner du fait de l'interaction spin-ordite dans le métal non-magnétique. Mais le moment angulaire doit être conservé. Et cela se traduit par un couple de torsion au voisinage de l'interface. L'idée de la manip, c'est d'utiliser un pendule de torsion pour mettre en évidence ce couple de torsion.
C'est là qu'intervient l'équipe Nano de Boston University qui a une expertise dans la fabrication de structures nanomécaniques. Le pendule en question, c'est la structure en forme de papillon qui est sur l'image ci dessous. C'est une structure "taillée" dans du silicium monocristallin. Elle mesure environ 6 micrométres de coté. Sur l'axe de ce "papillon" est placé un fil conducteur avec une moitié en Cobalt (ferromagnétique) et une partie an Or. Il a fallu plus de deux ans à Guiti pour réaliser ces échantillons!
Quand on fait circuler un courant dans le fil central en présence d'un champ magnétique aligné avec l'axe du fil, ca induit un couple de torsion. En prenant un courant alternatif à une fréquence de résonance de cette structure correspondant à un mode de torsion, celle ci répond de manière maximale et le "papillon" se met à osciller sous l'effet du couple de torsion du aux renversement des spins électroniques!
Reste à détecter ce mouvement. Les collègues de Boston ont retenu une méthode magnétique: ils ont mis un champ supplémentaire dans le plan de la structure mais perpendiculaire à son axe. Sur un des bras extérieur est gravé un fil en or. Lorsque la structure vibre, ce fil balaye un flux magnétique ce qui induit une voltage que l'on peut espérer détecter.
Présenté comme cela, ca a l'air simple. Mais c'est là que les ennuis commencent...
En pratique la composante perpendiculaire du champ à pour effet de faire osciller la structure de bas en haut car le courant circulant dans le fil entraine une force de Laplace. Donc le signal contient l'effet du couple de torsion mais aussi la réponse à cette force de Laplace, elle aussi proportionnelle au courant électrique qu'on fait passer et elle aussi à la même fréquence que l'excitation. Ensuite, le courant circulant à une fréquence de 6,17 Mhz, les deux "circuits électriques" (celui qui sert à exciter et celui qui sert à mesurer) se parlent du fait de couplages capacitifs au niveau de setup expérimental. Du coup les variations d'impédance dans le circuit d'excitation se voient dans le circuit de détection. C'est le second effet emmerdant. Il a donc fallu montrer que l'on voyait l'effet du couple de torsion au milieu de tout ce bordel.
L'argument décisif est intéressant car il montre bien comment on met en place une argumentation scientifique.
Il est basé sur une comparaison de trois échantillons: l'un avec un fil d'excitation tout en Or, l'autre avec un fil tout en Cobalt et le troisième avec le fil d'excitation en deux parties Or/Cobalt. Seul le troisième est susceptible de montrer le couple de torsion du à la dépolarisation des électrons. Tout le travail auquel j'ai contribué de manière assez obsessionnelle a consisté à discuter chaque aspect de ces signaux en prenant en compte les effets que j'ai mentionné plus haut. Et effectivement on voit que sur l'échantillon mixte, une partie du signal ne correspond pas à une variation d'impédance du au fil central (localisation faible dans l'Or ou effet de magnétoresistance quand il y a du Cobalt). Mais il n'apparait que dans cet échantillon. Par élimination et parce qu'il possède aussi les bonnes dépendances en certains paramètres, on avance que c'est très probablement le couple du au retournement de spin.
En fait, sans les échantillons de controle, l'argument serait sans valeur car il est impossible de comparer les résultats à des courbes théoriques issues d'un modèle microscopique dans lequel aucun paramètre issu de mesures effectuées sur le dispositif ne seraient utilisées. Dans les échantillons de contrôle, comment justifier qu'on aurait pas là un autre effet mal compris ? Les collègues de Boston ont donc fait preuve d'un excellent flair en fabriquant et en mesurant ces trois échantillons.
Evidemment, cela montre aussi les limites de ce type de manips. Il est très difficile de tout controler et on est loin de la manip "de précision" même si les phénomènes que l'on met en évidence sont tout petits: la sensibilité minimale théorique est de quelques dizaines de milliers de retournement électroniques pour un temps d'acquisition de 1 seconde. Mais de là à faire une calibration précise du machin, il y a une marge! Pour moi, travailler sur ce projet était donc très instructif pour voir concrètement les difficultés d'une telle manip de pointe.
Pour en savoir plus: le premier article de l'équipe de BU présentant la proposition de dispositif à partir de l'idée de Stefan Kettemann et Peter Fulde.
Revue de Presse: Nanotech Now
Et si vous voulez vraiment comprendre comment ça marche, lisez le papier mais aussi les supplementary information.
06 novembre 2008
Shaking spins in the nanoworld (1/3): yes we did!
Ca y est: l'article sur le "branlomètre à spins" est enfin publié. Il va bientôt sortir dans Nature Nanotechnology et est actuellement disponible en publication online sur leur site.
C'est le projet sur lequel j'ai travaillé au sein du groupe Nano de Boston University durant mon année là bas. Et j'ai passé un paquet de soirées pour comprendre ces putains de datas avec les gens du groupe! Donc je suis super content que ça ait aboutit.
10 septembre 2008
H-1H: la tension monte...
