Laboratoire Albert Fert

The explosive growth of available information requires a disruptive shift in the development of high-bandwidth and energy-efficient communication technology. At the same time, space-communication is critical with the acceleration of human activities in space. Laser-based space-light communication is attracting great interest due to the increasing demand for inter-satellite and ground-to-satellite communication. However, as the light intensity diminishes over long-distance, the development of a new light-coding method is crucial for reliable high-speed information transmission. It is questionable if future bandwidth requirements for earth and space communications will be met by conventional lasers, while keeping the overall power consumption manageable. SpinDataCom will overcome these limitations and revolutionize space and earth communications combining the advances in spintronics and semiconductor lasers with injected unequal number of spin up/down electrons. The electron spin imbalance in spin-lasers is transferred to the circular polarization of light which enables ultrafast polarization modulation, low-power consumption and highly-efficient information coding, implemented even on a single photon. Our approach can be transferred to existing fiberoptic networks, exceeding conventional transmitters in data rates and power efficiency. Gathering experts from 4 EU countries, SpinDataCom will build a disruptive proof-of-concept (TRL4) for spin-lasers, enabling ultrafast modulation via full electrical spin and magnetization control, to enable groundbreaking technologies for space and Earth data communication. This ambitious approach has potentially transformative impacts on society, economy, and environment due to its many applications on Earth and for space. With our Industrial Advisory Board, a strong communication, dissemination and exploitation plan, global visibility on SpinDataCom’s results will be ensured while enabling the transfer towards commercialization.

Les ferroélectriques sont des matériaux polaires dont la polarisation peut être commutée par un champ électrique, tandis que les antiferroélectriques abritent un ordre anti polaire qui peut être converti en une phase polaire par l'application d'une pression ou d'un champ électrique. Les oxydes antiferroélectriques sont prometteurs pour de nombreuses nouvelles applications telles que le stockage d'énergie (supercondensateurs), la réfrigération « tout solide » (refroidissement électrocalorique) ou les commutateurs thermiques. Ce projet vise plus spécifiquement l'électronique neuromorphique. Les antiferroélectriques naturels sont rares et la disponibilité de films minces de haute qualité structurelle est primordiale pour bénéficier de leurs propriétés physiques intrinsèques, en particulier à l'échelle nanométrique. Ce projet vise à élaborer des systèmes antiferroélectriques synthétiques à partir de matériaux ferroélectriques conventionnels plus largement disponibles. La stratégie consiste à frustrer l’ordre ferroélectrique pour imposer une polarisation nette nulle à la rémanence, imitant ainsi un comportement antiferroélectrique. Différentes stratégies seront explorées pour frustrer différents oxydes ferroélectriques élaborés en couche mince par le biais de conditions limites électrostatiques, de contraintes épitaxiales et de transitions paraélectriques-ferroélectriques à température ambiante. Nous exploiterons les potentialités de ces antiferroélectriques synthétiques dans le régime ultramince. Comme il a été démontré que les jonctions tunnel ferroélectriques émulaient le comportement des synapses artificielles, les jonctions tunnel antiferroélectriques devraient se comporter comme des neurones artificiels. Le projet rassemblera alors les deux ingrédients clefs d’une informatique neuromorphique intégrée à partir d’un même matériau parent, et constituant ainsi la brique technologique d’un « cerveau sur puce ».

CHECKMATE vise à fabriquer des membranes d'oxydes autoportantes (OM) et des bicouches d'oxydes torsadées ("twistées", TOB) pour explorer de nouveaux phénomènes de polarisation. En contrôlant les interactions entre matériaux ferroélectriques (FE) et antiferroélectriques (AFE), le projet cherche à stabiliser de nouvelles phases polaires à l’échelle nanométrique, ouvrant la voie à des propriétés inédites pour l’électronique et le stockage d’énergie. Il réunit trois laboratoires français—LPS (Université Paris-Saclay), SPMS (CentraleSupélec) et LAF (Université Paris-Saclay)—ainsi que deux groupes taïwanais (NTHU et NCKU). Ces équipes combinent des expertises en croissance de films minces d’oxydes, en caractérisation structurale et en modélisation théorique, permettant une exploration approfondie des oxydes twistés et de leurs applications. Les films d’oxydes présentent des propriétés variées, des transitions métal-isolant (MIT) ((La,Ca)MnO3), la ferroélectricité (PbTiO3, BaTiO3, BiFeO3), l’antiferroélectricité (PbZrO3, PbSnO3, PbHfO3) ou la multiferroïcité (BiFeO3). Les films minces épitaxiés classiques permettent l’ingénierie des interfaces mais sont limités par les contraintes du substrat. CHECKMATE contourne ces limites en fabriquant des OM autoportantes et en les empilant en TOB, offrant un contrôle précis du couplage interfacial, de la contrainte et des effets de brisure de symétrie. Les films minces seront synthétisés par dépôt PLD, suivis d’un lift-off chimique et d’un transfert pour former des structures twistées. En exploitant l’ingénierie de Moiré, le projet explorera l’effet des angles de twist et des recuits sur les propriétés émergentes. CHECKMATE se concentrera sur les bicouches de type FE-FE, FE-AFE et AFE-AFE afin d’étudier des textures et des paysages de polarisation exotiques, notamment : - La création et le contrôle de textures polaires chirales dans des bicouches FE-FE (déjà observées en 2024) ou MIT-FE. - Le contrôle de l’empreinte électrique dans les bicouches FE-AFE (analogue au biais d’échange en magnétisme). - L’exploration des bicouches AFE-AFE pour la capacitance négative. Des techniques de caractérisation avancées permettront une gestion optimisée des interfaces grâce à : - La 4D-STEM et la ptychographie électronique pour l’imagerie structurale haute résolution, - La cartographie locale de la polarisation via PFM-STEM, - L’imagerie synchrotron pour sonder l’interaction des ordres ferroïques, - Des études en température (XRD, Raman, mesures diélectriques) pour suivre les transitions de phase. Un défi majeur de CHECKMATE est la compréhension et le contrôle des interactions aux interfaces. Des simulations ab-initio et de modèles hamiltoniens permettront de prédire la stabilité des phases, le couplage inter-couches et les reconstructions induites par Moiré. Au-delà des découvertes fondamentales, CHECKMATE explorera les applications des TOB : les condensateurs à base d’AFE offrent un stockage d’énergie haute densité grâce à leur grande différence de polarisation et leur commutation rapide. Les bicouches twistées pourraient améliorer ces performances par une optimisation des contraintes. Un enjeu clé pour l’électronique basse consommation, la capacitance négative (NC) permet une commutation efficace au-delà de la limite de Boltzmann. Les bicouches AFE-AFE, avec leurs paysages énergétiques complexes, pourraient étendre les régions de NC avec une hystérésis minimale, un domaine inexploré mais prometteur. En résumé, CHECKMATE ouvre une voie dans l’exploration des propriétés des oxydes par l’ingénierie de Moiré dans des bicouches twistées. Grâce à une fabrication innovante, des techniques de caractérisation avancées et une modélisation théorique, le projet révélera de nouveaux états de polarisation et leurs applications. La collaboration avec les partenaires taïwanais permettra aux laboratoires français d’acquérir un savoir-faire stratégique, positionnant la France parmi les leaders de ce domaine émergent.

Le projet MadPOMs a pour but l’e´laboration de jonctions tunnel magne´tiques (MTJs) a` base de polyoxome´tallates (POMs). En effet, certains POMs ont la particularite´ de pouvoir e^tre re´duits par divers stimulus : application d’un champ e´lectrique et/ou par irradiation lumineuse. Lorsqu’ils sont inte´gre´s dans une MTJ, le changement de leur e´tat redox devrait moduler la polarisation de l’e´lectrode magne´tique par effet d’interface donnant acce`s a` des MTJs multi-adressables. Malgre´ leur inte´re^t e´vident pour ce domaine, aucune e´tude n’a encore e´te´ reporte´e sur l’e´laboration de MTJs a` base de POMs ni me^me leur de´po^t sur substrats ferromagne´tiques. Le projet MadPOMs s’attachera donc a` poser les jalons de ce nouveau domaine porteur, allant de la synthe`se des POMs adapte´s a` leur inte´gration dans une MTJ, le contro^le de leur de´po^t sur e´lectrode magne´tique, les caracte´risations spectroscopiques avance´es et par microscopie de champ proche pour e´tudier l’interface e´lectrode-mole´cule et la commutation des mole´cules une fois greffe´es, jusqu’aux premie`res mesures dans les jonctions magne´tiques. Ces travaux seront le fruit d’une collaboration e´troite entre spe´cialistes de la synthe`se et mise en forme de POMs sur substrats, experts de spectroscopie d’absorption X et spe´cialistes de l’e´laboration de MTJs a` base de mole´cules.

Pour les alternatives logiques beyond-CMOS, les dispositifs spintroniques offrent un potentiel de miniaturisation au prix d'énergies de commutation élevées. Les matériaux magnétoélectriques multiferroïques devraient permettre de contrôler l'aimantation à l'aide de champs électriques intrinsèquement peu consommateurs, mais cette solution a donné des résultats limités au niveau des dispositifs. BiFeO3 reste le matériau multiferroïque le plus étudié, car il présente à température ambiante une polarisation ferroélectrique robuste et un antiferromagnétisme non colinéaire couplés. Dans la logique magnétoélectrique à spin-orbite (MESO), l'aimantation d’un nano-aimant, adjacent à un matériau multiferroïque dérivé de BiFeO3, est commutée uniquement avec une tension et lue par conversion spin charge. Dans la première démonstration expérimentale de MESO, le contrôle magnétoélectrique d'un ferromagnétique CoFe s'est avéré non déterministe. Nous cherchons à simplifier l'état natif de films minces multiferroïques de BiFeO3 pour obtenir une commutation déterministe de la polarisation et de l'antiferromagnétisme. Dans ce contexte, nous avons récemment observé une transition de phase antiferromagnétique, entre des ordres non colinéaires et colinéaires, déclenchée par la commutation de la polarisation de films minces de BiFeO3 à domaine unique. Le projet DEMIETTES vise à explorer l'influence d'une telle transition de phase antiferromagnétique sur l'aimantation d'une couche ferromagnétique adjacente. Nos objectifs sont de : (i) concevoir une commutation déterministe de la polarisation ferroélectrique à partir d'états à domaine unique dans BiFeO3 épitaxié ; (ii) déclencher une transition de phase antiferromagnétique non volatile par commutation de polarisation et comprendre son origine ; (iii) explorer la dynamique de l'aimantation des deux phases ; (iv) exploiter cette commutation multiferroïque pour contrôler l'aimantation d'une couche adjacente dans des dispositifs à l'état solide.

A l'interface entre chimie, électronique moléculaire/0D et spintronique, G-ISLAND cible le transport de spin dans les nano-graphènes. Au-delà des mémoires magnétiques MRAM, la spintronique est envisagée comme un candidat majeur pour l'après-CMOS. Dans ce contexte, G-ISLAND vise à déverrouiller l'exploration des nano-îlots quantiques de graphène (GQD) comme nouvelle plateforme matériau de spin. Des fonctionnalités uniques sont attendues pour le graphène à l'échelle nano, avec de longs temps de vie de spins menant potentiellement à leur forte accumulation cohérente. Cependant, à ce jour, en dépit de leur énorme potentiel, l'électronique à électron unique et la spintronique avec GQD restent des visions criblées de défis majeurs : le transport de spin n'a jamais été rapporté dans des GQD isolés. C'est là que G-ISLAND se positionne. En s'écartant des approches latérales de la littérature, nous nous appuierons sur une géométrie originale de contact tunnel vertical permettant enfin de sonder le transport pour une large gamme de GQD (taille et configuration) accessible par synthèse chimique, combinée au support fondamental du STM/STS/Spin-Polarized-STM ainsi qu'à des caractérisations optiques avancées des GQD spécialement développés. La synergie proposée permettra de s’attaquer pour la première fois au défi de longue date consistant à développer une compréhension fondamentale de l'intégration des GQD dans des dispositifs électroniques et spintroniques fonctionnels afin d'en explorer les propriétés. Il sera alors possible d’exploiter les fonctionnalités spécifiques aux GQD, incluant les régimes de transport quantique et d’électrons uniques. Une nouvelle génération de nanodispositifs spintroniques sera développée, ciblant l'injection, le transport et l'accumulation de spins dans les GQD, atteignant les régimes de durée de vie géante de spins (> 100ns).

Les détecteurs infrarouges (IR) qui couvrent la gamme 1-10 µm sont largement utilisés dans des applications telles que les équipements de vision nocturne, l'imagerie hyperspectrale, le suivi, la spectroscopie, les soins de santé, la météorologie et la climatologie. Cependant, la plupart des avancées dans ce domaine se sont principalement concentrées sur les dispositifs fonctionnant dans la gamme des IR courts (SWIR) (1-3 µm), en raison de la maturité et de la disponibilité commerciale de ces composants, grace au développement des télécoms terrestres. Malgré cela, les performances dans le SWIR se dégradent considérablement en cas de conditions météorologiques difficiles. Ce défi a suscité un intérêt croissant pour l'exploration de la bande IR moyenne (MWIR) (3-5 µm) et longue (LWIR)(8-14 µm), qui correspond à une fenêtre atmosphérique où la transmission optique en espace libre reste optimale, même dans des environnements à faible visibilité tels que le brouillard, la pluie et la nuit. Avec TAILOR2D, nous proposons de développer une nouvelle famille de capteurs IR à température ambiante basés sur une plateforme compatible CMOS de semi-conducteurs 2D TMD, pour lesquels une association versatile dans des hétérostructures pourrait permettre de moduler à volonté la bande interdite résultante. S’écartant de l'épitaxie traditionnelle des semi-conducteurs III-V et II-VI et des défis d'épitaxie associés, nous visons à développer une croissance d’hétérostructures semi-conductrices 2D en grande surface, rapide, sans épitaxie (car vdW) et hautement personnalisable, adaptée aux applications IR. En effet, en développant d’un nouvel outil Raman pour contrôler in situ la croissance des 2D TMD et en les combinant judicieusement, TAILOR2D vise à révéler le potentiel des 2D pour les détecteurs IR. Comme preuve de concept, sera visée la fabrication de dispositifs IR et évaluera leurs performances sur la fenêtre de transparence des applications de communication terre-espace, du SWIR de référence au MWIR/LWIR recherché.

It has become increasingly clear that the European Union’s manufacturers largely rely on microelectronics components from outside the EU that make them vulnerable to materials supply bottlenecks. To support EU’s high-tech development and enhance its industrial sovereignty, novel technologies engaging radically new concepts are required such as, but not limited to, spin-based electronics. Crucially, these novel technologies must also demonstrate sustainability and resilience to material supply chain interruptions, while at the same time reducing the environmental footprint of this growing sector. OBELIX will contribute to this strategic effort by a twofold paradigm shift: (i) harnessing the orbital degree of freedom shall bring disruptive solutions to existing spin-based technologies, reducing power consumption and (ii) opening entirely new avenues for devices that do not require any heavy metals that are sourced outside EU and are often detrimental to the environment. OBELIX will demonstrate how the orbital moment can be engineered and controlled using electrical as well as optical means, enabling thus a novel information carrier that can be transmitted and used to write and read information thus outperforming conventional spin-based devices.

We aim at realizing a novel class of high-temperature Josephson junctions (JJs) that behave as artificial neurons and synapses. These JJs will enable a new neuromorphic computing paradigm, in which neural networks are much faster, more energy efficient and compact than with non-superconducting approaches, and possess novel capabilities (combined sensitivity to light, magnetic and electric fields). Via these rupture ingredients, JOSEPHINE will dramatically enhance the impact of neuromorphics on its broad range of projected applications: from artificial intelligence (where it would allow supercomputer-level processors at a fraction of the environmental cost) to the control of autonomous vehicles, the Internet of Things, and novel medical applications. That constitutes the long-term vision for the science we propose. To reach that goal, we will use different strategies to realize high-Tc Josephson junctions whose weak-links are active and can be changed "in operando" by external stimuli. Those strategies include "weak links" modified by a nanoscale redox reaction, by the motion of domain walls in a ferromagnet, or by locally doping a graphene or a 2D semiconductor. Once realized, these JJs will be implemented and tested in neural networks to demonstrate their performance and their transformative effect on neuromorphics. The proposed strategy exploits recent breakthrough results of the partners (physical effects that will be implemented) and synergizes their complementary expertise via a multidisciplinary approach that marries traditionally distant disciplines: neural network engineering, superconducting electronics, and various facets of solid-state physics (superconductivity, magnetism, Dirac materials, and electrochemistry).

The Skyrmionic Artificial Neural Network (SkyANN) presents a groundbreaking paradigm for neuromorphic computing, closely emulating brain neurophysiology by combining skyrmionic quasiparticles, which mimic neurotransmitters and facilitate complex computations at the synapse level, with electrical CMOS connections that simulate the propagation of action potentials among neurons for rapid and dense inter-layer connectivity. Our innovative magneto-electric devices aim to achieve energy consumption four orders of magnitude lower than CMOS technology and double the bandwidth for the same device footprint, enhancing edge inference and learning capabilities. This approach challenges contemporary neural networks implemented with CMOS digital, mixed-signal, and emerging in-memory computing technologies, which are limited by lower energy efficiency and reliability. Building on preliminary results from SkyANN partners, we plan an ambitious endeavor to develop a first-of-its-kind magneto-electric neural network, showcasing the promising potential of this novel technology. Along the way, we will refine materials, processes, design methodologies, and architectures to prepare the European micro- and nano-electronics ecosystem for the future, while supporting the EU's Green Deal vision. Our well-balanced consortium brings together complementary expertise and extensive knowledge, spanning from device physics to circuits and architectures across multiple layers of design abstraction. As a result, the SkyANN consortium is poised to facilitate the rapid transfer of fundamental discoveries to relevant industrial stakeholders, accelerating impact and reinforcing European strengths in the economically, geopolitically, and socially vital semiconductor sector.

En 1986, la découverte de la supraconductivité à haute température dans les composés à base de cuprates a inauguré un tout nouveau domaine de recherche. Cette supraconductivité non conventionnelle reste inexpliquée et, pendant plus de trois décennies, les chercheurs ont cherché des analogues des cuprates. C'est finalement en 2019 qu'un groupe de l'université de Standford a rapporté la supraconductivité dans des composés de nickelates stratifiés dopés aux trous, avec une température critique d'environ 10-15 K. La phase supraconductrice présente la structure appelée à couches infinies (R1-x(Sr, Ca)xNiO2, R=Nd, Pr ou La, x=concentration de dopant), composée de plans bidimensionnels de NiO2 alternés avec des plans de terres rares (R). Cette phase est obtenue à partir de la phase pérovskite parentale (R1-x(Sr, Ca)xNiO3), après élimination sélective de tous les atomes d'oxygène sur les sites apicaux des octaèdres NiO6. Comme pour les cuprates, cette remarquable découverte a lancé un nouveau domaine de recherche, dont les progrès sont aujourd'hui entravés par le grand défi que représente la synthèse de ces composés. Ainsi, en dehors de la synthèse difficile de films de phase pérovskite de haute qualité, l'obtention de la phase supraconductrice à couche infinie nécessite une réduction chimique topotactique complexe, qui a lieu à l'intérieur d'un tube sous vide en utilisant le CaH2 comme agent réducteur. Cette méthode est très peu pratique et sujette à des problèmes de reproductibilité et de mauvaise qualité des échantillons. En fin de compte, la résolution spatiale des régions supraconductrices ne sera jamais atteinte avec cette méthode, ce qui constitue un obstacle technologique majeur à l'utilisation des nickelates supraconducteurs dans les futurs nanodispositifs. Le projet OxyNicks propose deux approches innovantes pour surmonter ces obstacles dans le domaine : i) Améliorer le contrôle et la reproductibilité du processus de réduction par le dépôt d’un métal réactif (Al, Y ou Gd) par pulvérisation cathodique. Le métal pompera l'oxygène de la phase pérovskite au cours d'une réaction redox, s'oxydera et transformera le film en une phase supraconductrice à couche infinie. Grâce à cette nouvelle méthode, nous utiliserons la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire (ARPES) pour visualiser la structure électronique des nickelates à couche infinie. Par ailleurs, nous effectuerons des mesures de magnéto-transport et de spectroscopie à effet tunnel afin d'explorer la physique inexplorée qui sous-tend la supraconductivité dans les nickelates, à peine explorée jusqu'à présent en raison des défis posés par la synthèse. ii) Le contrôle électrique de la transformation topotactique dans les nickelates à l'échelle nanométrique grâce à la tension générée avec une pointe de microscopie à force atomique (AFM) polarisée. Le champ électrique créé par la pointe AFM réduira localement le nickelate de la phase pérovskite initiale à la phase supraconductrice à couche infinie. Cela nous donnera le contrôle sub-micrométrique nécessaire pour fabriquer les premiers prototypes de nanodispositifs utilisant des nickelates supraconducteurs, notamment des jonctions Josephson. Par conséquent, le projet OxyNicks vise à contribuer activement à surmonter les principaux obstacles dans le domaine émergent des nickelates, en apportant de nouvelles connaissances sur la physique de ces composés et en permettant un contrôle à l'échelle nanométrique de la supraconductivité en vue de l'incorporation future de ces matériaux dans des nanodispositifs.

Aujourd'hui, les commutateurs RF sont des éléments clés dans les technologies de l’information permettant la communication sans fil dans de nombreuses applications. Actuellement, la technologie des commutateurs RF est dominée par les semi-conducteurs (diodes PIN ou FET) ou par les systèmes électro-mecanique (MEMS). Cependant, il existe un vrai besoin d’une technologie émergente capable d’apporter de nouvelles fonctionnalités tout en maintenant le rythme de la réduction de la taille, de poids et de la consommation d'énergie des composants ainsi que des coûts. Les matériaux bidimensionnels (2D) et en particuliers les TMDs (Transition-Metal Dichalcogenide) comme PtSe2, WS2, WSe2 avec leurs propriétés exceptionnelles (bandgap et mobilité d’électrons) pourraient être cette nouvelle génération de matériaux pour les futurs commutateurs RF à consommation électrique faible, meilleure efficacité et sur une bande de fréquence très large (du GHz au THz). Des premiers résultats obtenus au sein de consortium ont permis de valider le concept mais des défis technologiques sont encore à lever. La premier consiste à développer le dépôt de couches simples de TMDs et en hétérostructures sur des grandes surfaces (5cm) et une caractérisation physique approfondie. Le deuxième défi va se focaliser sur la mise au point de modèles électromagnétiques permettant de faire le lien entre les propriétés des TMDs et la modélisation d’un commutateurs RF. Enfin, nous démontrerons la fonction RF à base de TMDs pour des déphaseurs à trois fréquences. L'intérêt scientifique du projet 2DHEXPLOR est de donner les outils nécessaires à la communauté scientifique permettant le développement d'une nouvelle génération de composants RF capables de répondre à des problématiques industrielles avec une montée en TRL pour ce type de matériau et en tenant en compte des contraintes SWAP-C. Le consortium diversifié et très complémentaire est composé de Thales Recherche et Technologie, IETR, et UMPHY.