Présentation
La mission principale du groupe de recherche Nanosciences en champ proche sous ultra-vide (NS-CPU) est de fédérer la communauté française dont les activités de recherche «nanosciences» s’appuient sur les techniques de microscopie en champ proche fonctionnant sous ultra vide.
Coordinateurs : David MARTROU (CEMES), Jérôme LAGOUTE (MPQ)
Coordinateurs adjoints : Clemens BARTH (CINaM), Christophe BRUN (INSP), Yannick DAPPE (SPEC, CEA), Sylvie GODEY (IEMN), Christian JOACHIM (CEMES), Guillaume SCHULL (IPCMS), Loranne VERNISSE (Pprime)
5 thématiques
Structure électronique et vibrationnelle de nanostructures et de nano-objets individuels
Interactions lumière-matière à l‘échelle du nanomètre
Étude du magnétisme local et d’états quantiques
Propriétés électroniques, électrostatiques et transferts de charge
Concepts théoriques et outils numériques
Prospectives
Adossées aux sciences de surface, les nanosciences intersectent de nombreux domaines scientifiques et techniques : la nanoélectronique, l’électronique et la mécanique moléculaire, le nanomagnétisme, la physique des semiconducteurs et des supra conducteurs, la physique et chimie des nano-objets individuels, la catalyse hétérogène, la métallurgie…
Les instruments de prédilection pour l’étude des nanosciences sont les microscopies champ proche (STM, STM-photon, STM+champ magnétique, STS, NC-AFM, KPFM) fonctionnant sous ultra vide (UHV), et à différentes températures (4 K, 77 K, 300 K, …). Elles permettent d’accéder directement à la topographie de la surface support, mais surtout aux propriétés électroniques, optiques ou magnétiques d’un nano-objet unique, d’une molécule, d’un atome ou d’un état de surface.
Structure électronique et vibrationnelle
La spectroscopie tunnel (STS) donne accès à la structure électronique de la matière jusqu’à l’échelle atomique par des mesures de conductance I(V), I(Z) et différentielles. Cette technique permet de mesurer le spectre électronique de nano-objets individuels (molécules, nanostructures), et aussi de sonder les propriétés électroniques des matériaux de basses dimensionnalités (nanotubes, graphène et autres matériaux bidimensionnels). Les états vibrationnels peuvent être sondés par spectroscopie inélastique aussi bien sur des nano-objets individuels que sur des nanomatériaux.
Interaction lumière-matière
Les propriétés optiques d’un nano-objet unique, tel qu’un plot quantique, une molécule fluorescente ou un atome, dépendent de manière critique de leurs interactions avec leur proche environnement (< 10nm). Différents mécanismes comme un transfert de charge ou d’énergie entre la pointe et le nano-objet peuvent être utilisés pour sonder, modifier ou exacerber les propriétés de ces nano-objets. Les expériences combinant, sous ultra-vide, microscopie à effet tunnel et optique permettent l’observation directe de ces mécanismes. Le développement de techniques impliquant l’utilisation de lasers impulsionnel, ouvre également la voie à des études de type pompe-sonde permettant de combiner résolution spatiale atomique et résolution temporelle femtoseconde.
Magnétisme local et états quantiques
L’étude des propriétés électroniques locales de matériaux massifs, de matériaux de basse dimension, ou de nano-objets individuels présentant un état quantique non trivial (magnétique, supraconducteur, onde de densité de charge ou de spin, isolant de Mott, isolant topologique ou supraconducteur topologique, etc) a connu un essor important avec la mise au point de techniques STM UHV basse température, notamment couplées à un champ magnétique extérieur. Ces techniques permettent d’observer les paramètres d’ordre quantique, les ordres de charge, de spins locaux jusqu’à l’échelle atomique. Des développements instrumentaux récents visent à sonder les excitations électroniques élémentaires résolues en temps et/ou en fréquence (jusqu’à quelques dizaines de GHz).
Electrostatique et transfert de charge
L’étude des phénomènes électrostatiques à l’échelle de la charge élémentaire s’observent en microscopie à force atomique en mode non contact (nc-AFM) couplée à la microscopie à sonde de Kelvin (KPFM). On mesure à la fois la topographie avec une résolution atomique et le potentiel de surface lié aux propriétés électrostatiques (dipôles, charges) et électroniques (travail de sortie, dopage, …) de la surface ou du nano-objet unique étudié (une nanoparticule, un nano-îlot, une molécule, un atome, défauts de surface, …).
Concepts théoriques et outils numériques
La description des interactions « pointe-surface support » (seule ou avec le nano-objet) comme l’échange, l’électrostatique, le Van der Waals et le magnétique, … est à la base de tous les calculs permettant de prévoir et de reproduire les différentes expériences réalisables en champ proche : topographie (STM, NC-AFM), spectroscopies dnI/dVn, dI/dZ, dZ/dV (STS), ∆f/dZ, ∆f/dV (NC-AFM / KPFM), manipulation d’un atome ou d’une molécule. L’interprétation des données expérimentales va appuyer le développement et la mise à disposition de codes de calculs basés sur la description quantique et/ou semi-classique de ces interactions.
French 
English