Laboratoire de Physique des Solides

Les assemblages géométriquement frustrés (Geometrically Frustrated Assemblies, GFA) couvrent de nombreux domaines des sciences, tels que le magnétisme, le repliement des protéines ou les cristaux liquides. Les GFA apparaissent lorsque des interactions concurrentes empêchent le système d’adopter des arrangements simples, conduisant à l’émergence de propriétés structurelles et multifonctionnelles originales. À l’inverse, les matériaux colloïdaux synthétiques présentent généralement peu ou pas de frustration, donnant lieu à des structures simples, compactes et statiques. Ce projet vise à concevoir et à manipuler des assemblages frustrés de nanoparticules (NPs) inorganiques colloïdales afin de former des matériaux complexes et fonctionnels directement en solution. Le premier objectif du programme de recherche est d’exploiter les principes des GFA entre des nanoparticules ne se conformant pas aux pavages standards, afin d’accéder à une nouvelle gamme de symétries originale. Le second objectif est de doter ces assemblages d’une réponse structurale dynamique à des stimuli externes, permettant un contrôle actif de leurs propriétés et fonctionnalités. Le programme de travail se concentre sur la conception rationnelle de nanostructures périodiques bidimensionnelles constituées de nanobâtonnets orientés (désignées sous le terme de métasurfaces) et s’articule autour de trois objectifs (O) : (O1) l’ingénierie d’assemblages géométriquement frustrés par la conception de nanobâtonnets présentant des sections polygonales originales (par exemple pentagonales ou chirales), ainsi que par l’assemblage de réseaux binaires ; (O2) le contrôle des paramètres de réseau des métasurfaces (distance inter-particulaire et symétrie) par des moyens chimiques ainsi que par l’application de champs externes ; (O3) l’étude des propriétés optiques dynamiques des métasurfaces frustrées. De subtiles modifications des interactions colloïdales en solution induiront des changements structuraux remarquables, tels que des ruptures de symétrie, une porosité modulable et l’apparition d’aperiodicité. Cette nouvelle classe de matériaux s’inspire d’autres systèmes reposant sur les GFA, tout en présentant des « métapropriétés » optiques absentes dans la nature, telles que des interactions lumière–matière renforcées et une activité chiroptique intense. Dans l’ensemble, les métasurfaces frustrées permettront la découverte de structures uniques et dynamiques, ouvrant la voie à de nouvelles applications en plasmonique et au-delà.

Located in Ljubljana, Slovenia, the Jožef Stefan Institute is the national leader in quantum research. Supported by the Marie Skłodowska-Curie Actions programme, the SQUASH project – Slovenian Quantum Science Hub – will employ 40 foreign postdoctoral researchers. The fellowships are designed to advance their research skills in four multidisciplinary fields: quantum theory, quantum materials, quantum technology, and quantum computing & information. With a broad range of international and intersectoral secondments, as well as career-developing training programs, fellows will gain a blend of additional versatile skills, significantly boosting their career-growth opportunities. The project aims at developing skilled and innovative quantum workforce across research, technology, and academia to tackle the upcoming challenges of the second quantum revolution.

Le projet REXEL est pensé comme un projet conceptuel pour concilier le besoin d'indépendance des ressources minérales nationales avec les réglementations environnementales locales régissant l'exploitation minière. Ce projet est basé sur les impacts environnementaux passés et présents, l'histoire des activités minières afin d'inspirer de nouvelles stratégies de gestion durable des sites miniers. Outre la compréhension des risques environnementaux associés à des métaux(loïdes) spécifiques, les résultats du projet contribueront à répondre aux exigences de durabilité en s'inspirant des processus d'atténuation naturelle in situ, lorsqu'aucune autre solution ne peut être envisagée dans le cadre de la nouvelle valorisation des ressources minérales et donc à déterminer la résilience des milieux fortement impactés par l'anthropisation. Pour y répondre, les processus impliqués à diverses échelles et les cinétiques réactionnelles sur une période de plus de 20 ans seront étudiés par le biais d'outils de cristallochimie, spéciation solide, géochimie, thermodynamique ou géophysique. Cela permettra de comprendre les couplages thermo-hydro-mécano-chimiques qui conduisent à la remobilisation ou à la rétention de l'As, du Bi et du W. Ce projet vise à analyser les changements au cours du temps et dans l’espace d'un ancien site minier sur les déchets au cours des deux dernières décennies. L'objectif principal est d'acquérir des connaissances fondamentales sur les processus qui contrôlent les risques environnementaux. Cette étude portera sur la dynamique des contaminants (spéciation, géochimie) dispersés par des vecteurs variés de contamination (mode de transfert, dispersion spatiale) et sur leur devenir pour des écosystèmes à préserver. L'étude se focalisera sur l'As, le Bi et le W en raison de leur dangerosité potentielle et/ou de leur criticité.

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.

L'auto-assemblage de nanoparticules (NPs) est une méthode versatile pour créer des matériaux fonctionnels, ouvrant des perspectives prometteuses en catalyse et en spectroscopie. Cependant, comprendre les facteurs qui influencent la formation des nanostructures est essentiel pour leur utilisation pratique. Ce projet porte sur les mélanges binaires de NPs, en particulier les nanobâtonnets d'or et d'argent, car ils offrent un potentiel de synergies nouvelles et parce que les principes de formation sous-jacent restent peu connus. La forme allongée des nanobâtonnets favorise la formation de structures en couches, et le mélange de bâtonnets de tailles et de sections transversales variées peut produire de nouvelles symétries cristallines voir quasi-cristallines. Notre méthode consiste à former ces assemblages en suspension, ce qui devrait permettre de mieux contrôler les nanostructures par rapport aux techniques de séchage courantes. Nous proposons une approche combinant simulations et observations in-situ de l'auto-assemblage à l'aide de la diffusion des rayons X aux petits angles et de la microscopie électronique en transmission à cellule liquide. En combinant ces deux techniques, les observations expérimentales guideront l'optimisation des modèles de simulation, tandis que les simulations permettront de définir les conditions idéales pour l'auto-assemblage de nouvelles phases. La dernière phase du projet portera sur l'étude de la stabilité des superstructures de nanobâtonnets sous différentes conditions, afin de juger leur potentiel pour des applications technologiques. Ce travail ouvrira de nouvelles perspectives pour contrôler la symétrie des assemblages de nanoparticules et approfondira notre compréhension de l'influence de la forme des particules sur la structure lors de l'auto-assemblage.

Un comportement semiconducteur à très haute mobilité électronique - dépassant la mobilité du silicium d'un facteur dix– vient d’être découvert dans l’épigraphène sur carbure de silicium sur des terrasses macroscopiques de carbure de silicium (SiC). Cette nouvelle plateforme électronique bi-dimensionnelle est entièrement compatible avec les processus actuels de microélectroniques. Cet épigraphène semiconducteur (SEG) permet de dépasser la limitation intrinsèque du graphène (absence de bande interdite) et offre la possibilité d’exploiter de façon viable les qualités promises des semi-conducteurs 2D pour la nanoélectronique : transistors tunnel à effet de champ (TFET) de très basse consommation, fonctionnement aux fréquences THz, miniaturisation des dispositifs et dopage électrostatique par grille avant. L'une des caractéristiques uniques du SEG est la possibilité d’y intercaler une large gamme de matériaux – molécules, métaux ou semi-conducteurs - pour créer de nouveaux systèmes 2D stables à l'air permettant une nouvelle ingénierie d’hétérostructures. Par exemple, l'intercalation d'hydrogène transforme le semiconducteur SEG en graphène standard (quasi-suspendu), tandis qu’une intercalation d'or conduit à un semi-conducteur 2D. Ce projet vise à développer des TFET à base de SEG avec canal court et pente sous le seuil inférieure à 60 mV/décade, à évaluer leurs performances, notamment en utilisant le l’épigraphène quasi-suspendu (SEG intercalé à l'hydrogène) comme interconnexion continue avec le SEG. Les hétérostructures SEG/intercalant/SiC seront aussi étudiées, en commençant par l'hydrogène. L’épigraphène quasi-suspendu présente en effet une conduction balistique sur des dizaines de microns dans les états de bord, dont la nature est encore mal comprise. Des mesures de cohérence à basse température permettront de sonder la nature de ces états qui pourraient ouvrir la voie à des développements en électronique cohérente. Enfin, l’intercalation de SEG par des métaux sera explorée pour des contacts de graphène stables à l'air et de faible résistance et plus encore pour l'étude de nouvelles propriétés bidimensionnelles, y compris des effets de moiré et des phénomènes d'interface non conventionnels.

L’état liquide de spin est au centre des recherches actuelles en magnétisme quantique. Malgré de fortes interactions, les spins ne se gèlent pas à basse température mais réalisent un état désordonné intriqué à longue portée caractérisé par des excitations fractionnaires telles que des spinons au lieu des ondes de spin conventionnelles. Cet état est bien connu pour les chaînes de spins 1/2 antiferromagnétiques, mais bien moins compris à plus hautes dimensions où la physique est plus riche, stimulant de nouveaux concepts et de potentielles applications de ces systèmes quantiques. Suite à la découverte récente de nouveaux composés, l'objectif de ce projet est d'étudier ces matériaux quantiques frustrés, à réseau kagome, qui sont parmi les meilleurs candidats pour cette physique. Nous nous concentrerons sur leurs excitations de basses énergies qui révèlent la nature de l'état fondamental ainsi que sur l’influence des perturbations par rapport aux modèles idéaux. En effet, en raison de la frustration, de nombreux états quantiques entrent en compétition dans une faible gamme d'énergie, et les perturbations sont susceptibles de sélectionner l'état fondamental réalisé dans un matériau donné. Ces perturbations se traduisent par un changement du modèle d'interactions magnétiques, qui peut être local, si induit par des impuretés, ou global, si contrôlé par les symétries cristallines ou des paramètres extérieurs. Notre premier objectif est l’étude des états fondamentaux et des excitations de nouveaux matériaux à réseau kagome, candidats liquides de spin tels que l'averievite dopée au Zn et le composé sans impureté Y-kapellasite sous pression. Le deuxième objectif est l’étude du rôle des perturbations, internes ou externes, sur le comportement liquide de spin. Cette étude comprend la réponse aux défauts que nous caractériserons principalement par résonance magnétique nucléaire dans l'averievite dopée au Zn et l'herbertsmithite, et modéliserons à l'aide d'outils théoriques avancés. Les effets de la pression et du champ magnétique seront également étudiés, en particulier en tant que perturbations de l'état fondamental fragile des composés Y-kapellasite. Nous proposons d'aborder ces objectifs en utilisant principalement des techniques locales de résonance magnétique nucléaire (RMN) ou quadrupolaire, avec en complément la spectroscopie de spin muonique et la diffusion inélastique des neutrons, sur une sélection de matériaux. La RMN permet de séparer les différentes contributions magnétiques et est donc particulièrement bien adaptée aux systèmes spatialement inhomogènes. Elle permet ainsi de déterminer la susceptibilité intrinsèque dans les candidats liquide de spin, où la contribution d'impuretés, même en très faible proportion, fausse les mesures macroscopiques à basse température. Par les mesures de relaxation, la RMN permet aussi de mesurer avec une sensibilité inégalée la présence de gap dans les excitations. Le troisième objectif est de développer des approches théoriques pertinentes pour décrire ces états liquide de spins et leurs perturbations, en particulier la méthode entropique pour extrapoler les développements en série haute température. Cette méthode entropique est particulièrement utile pour les candidats liquides de spin sans ordre à longue portée, où les interactions ne peuvent pas être obtenues par l'analyse des ondes de spin. Nous effectuerons également des simulations Monte Carlo pour étudier, en particulier, l'effet de changement dimensionnel induit par les défauts sur les modèles de spin frustrés.

S'ils fonctionnaient à conditions atmosphériques, les matériaux quantiques tels que les supraconducteurs (SC) pourraient avoir un impact remarquable sur la société dans le domaine des énergies renouvelables ou de l'informatique quantique. À ce jour, les cuprates détiennent toujours le record de température critique à pression ambiante, mais sont incompris. La découverte récente de SC dans les nickelates bicouches (à 80 K et 18 GPa) a constitué une percée remarquable. Ces systèmes présentent des différences avec les cuprates : remplissage électronique, transition structurale sous pression, présence d'ondes de densité et dôme SC persistant sur une large gamme de pressions. Les nickelates offrent donc de nouvelles perspectives de compréhension de la SC à haute Tc. En outre, ils ont un potentiel pour des températures critiques plus élevées à des pressions plus basses. Aujourd'hui, de nombreuses questions doivent être rapidement résolues. Quel est l'impact de la pression sur le SC ? Pourquoi la Tc est-elle indépendante de la pression ? Quelle est la nature des autres phases en compétition ? Et surtout, quel type de substitution permet d'optimiser la phase SC ? Pour étudier ces questions et amener l'Europe dans la course, il est primordial de rassembler un consortium d'experts suisses et français des hautes pressions, de la synthèse à la caractérisation. L'ambition du projet est double. Nous investiguerons le diagramme de phase (p,T) du point de vue magnétique, électronique et structural afin de définir la nature des phases en compétition et de caractériser avec précision l'effet de la pression. Nous prévoyons surtout d'effectuer des substitutions afin d'induire une pression chimique ou un changement de symétrie. Notre objectif est d'établir les conditions chimiques qui favoriseraient l'apparition de la SC à plus haute TC et basse pression via la synthèse et la caractérisation approfondie des nouvelles compositions sous pression.

Les détecteurs d’électrons directs (DEDs) ont révolutionné la microscopie électronique (EM) en offrant une DQE quasi parfaite et des vitesses d’acquisition élevées. Ces avancées ont amélioré les analyses nanométriques à des doses d’électrons toujours plus faibles. Cependant, des défis subsistent pour l’étude des matériaux sensibles au faisceau, où les dommages induits imposent des limitations majeures. Le projet FLASH vise à surmonter ces obstacles en intégrant des DEDs de nouvelle génération, des stratégies de balayage innovantes et des techniques avancées d’analyse des données, afin d’obtenir des informations inédites sur des matériaux fragiles essentiels aux domaines de l’énergie, de la catalyse et des sciences fondamentales. Ce projet améliorera les capacités du 4D-STEM en exploitant le détecteur TIMEPIX3, capable d’acquérir 10 millions d’images par seconde, soit 500 fois plus rapide que les détecteurs actuels. Des stratégies de balayage novatrices, telles que les trajectoires de Lissajous, minimiseront les dommages en répartissant la dose plus uniformément, et facilitera l’acquisition parcimonieuse des données. Ainsi, nous pourrons acquérir des ensembles 4D-STEM en < 1 ms, améliorant la résolution et accélérant les études in situ. FLASH introduira aussi la diffraction électronique en précession (PED) avec des DEDs, permettant une nanocristallographie quantitative d’une précision angulaire inégalée (0,03°–0,1°). L’amélioration de la Fonction de distribution des paires d'électrons (ePDF) étendra la gamme de vecteurs de diffusion mesurables (Q = 20–25 Å?¹), atteignant une résolution comparable aux synchrotrons pour les ces matériaux. Cela ouvrira la voie à l’étude de l’ordre atomique à courte portée dans des matériaux jusque-là inaccessibles en EM. Afin de réduire encore la dose d’électrons, FLASH développera des pipelines d’analyse de données optimisés pour des ensembles à faible comptage, garantissant une analyse précise à des doses minimales. Les procédures techniques seront validées puis appliquées à divers nanomatériaux sensibles, tels que des nanoparticules bimétalliques, des films polymères dopés et des matériaux extraterrestres. Ces avancées sont particulièrement pertinentes dans le contexte du European Green Deal, où la conception améliorée des matériaux est essentielle pour la conversion durable de l’énergie, le développement de dispositifs électroniques plus performants et des procédés chimiques respectueux de l’environnement. Au-delà des avancées scientifiques, FLASH contribuera au développement d’outils logiciels open source pour le traitement des données, garantissant une large accessibilité et reproductibilité des méthodologies. En rendant publics les données expérimentales et métadonnées sous licences ouvertes, FLASH favorisera la découverte de matériaux assistée par apprentissage automatique, fournissant des références de haute qualité pour la validation des potentiels interatomiques et l’entraînement de modèles d’intelligence artificielle. Cette approche de science ouverte accélérera le développement de nouveaux matériaux et inspirera des initiatives similaires au sein de la communauté scientifique. Cette proposition est soumise dans le cadre de l’accord de collaboration internationale entre l’ANR et la FAPESP (Brésil), avec un co-coordinateur à l’Université d’État de Campinas. Un aspect clé du projet est la formation des jeunes chercheurs : les étudiants recrutés seront co-encadrés par des chercheurs français et brésiliens et passeront un temps significatif dans les laboratoires partenaires. Les résultats du projet seront diffusés via des publications à fort impact et des conférences internationales, garantissant une visibilité mondiale et favorisant la collaboration. En combinant innovation instrumentale, découverte de matériaux basée sur les données et collaboration internationale, FLASH établira de nouveaux standards en EM, faisant progresser la recherche fondamentale et les applications industrielles.

Transformative advances in product formulation are required to meet the demand for sustainability across a wide range of EU-priority industrial areas. Colloidal gels – complex, out-of-equilibrium soft matter systems – are core components in many of the formulations encountered therein, including building materials (e.g., cement), energy materials (e.g., batteries and fuel cells), consumer care and food products, and medicine. Current industrial practice requires delicate balancing between thermodynamic parameters (composition and interactions), quenching kinetics, and processing conditions to achieve gel structures with the desired material performance (e.g., mechanical, thermal, or electrical properties). Without a robust physical understanding of how the microstructure can be controlled and how this links to material properties, this balancing remains limited to trial and error. Recent advances in colloidal-gel physics strongly imply that the rational design of colloidal gel properties is within reach. This design is based on tuning gel microstructure via external stimuli, such as shear, ultrasound, and (magnetic/electric) fields, and the addition of non-Brownian inclusions. The CoCoGel doctoral network will enable the translation from the current academic state of the art to industrial practice, focusing on these routes to controlling microstructure. We will bring together 6 academic and 6 industrial partners – experts in a range of experimental, computational, and theoretical techniques – who can realize the creation of new sustainable materials and production processes via these routes. Key to the success of our industrial doctoral training network is a deepening and extending of existing collaborations, as well as the training of a new generation of researchers with both multi-disciplinary expertise in soft materials and practical experience engaging with industry. These will drive further sustainable development over a wide range of European industries.

An exciting area of research in quantum condensed matter physics involves the exploration of Majorana bound states (MBS) to create topologically protected qubits for fault-tolerant quantum computing. In the quest for experimental evidence of these quasiparticles, the most frequently observed indication of MBS is considered as a peak in the differential conductance spectra at zero bias voltage. While this observation could be easily detected in scanning tunneling microscopy/spectroscopy experiments, it does not serve as a piece of conclusive evidence for the Majorana nature of a state as other topologically trivial bound states, such as Yu-Shiba-Rusinov states, can also exhibit the same zero-bias conductance peak. In this direction, recent theoretical investigations have extensively examined how shot noise at atomic could serve as a distinctive tool to differentiate between MBS and trivial bound states in vortex matter and nanowires. However, experimental verification of these theories has not been feasible so far due to the underlying challenge of measuring shot noise with high enough sensitivity at a nanometer resolution. Although experimentally challenging, in this project we will combine atomically resolved differential conductance and shot noise together by using a home-built shot-noise scanning tunneling microscope (SN-STM). The unprecedented power of this technique will be exploited to measure shot noise which provides direct evidence to distinguish the MBS from any conventional in-gap mode. We propose to investigate a couple of different scenarios such as single atomic impurities and vortex cores in a variety of iron-based superconducting quantum material, magnetic nanostructure (1D chains) coupled to an s-wave superconductor.

La récente démonstration d'émission de lumière dans les alliages de SiGe hexagonal à gap direct en fait un concurrent solide des semi-conducteurs classiques de type III-V. Cependant, les propriétés d'émission du SiGe hexagonal rencontrent plusieurs défis, que constituent le cadre du projet TULIP. L'objectif principal du projet TULIP est l'ingénierie de l'émission de lumière dans SiGe hexagonal avec les objectifs clés suivants : - Ajuster la plage de longueurs d'onde d'émission, en passant du moyen infrarouge au proche infrarouge et au spectre visible. - Obtenir un gap direct pour les compositions riches en silicium. - Passer d'un régime d'émission spontanée à un régime d'émission stimulée. Pour réaliser ces objectifs, notre stratégie repose sur la modification de l'émetteur lui-même, en ajustant la taille, les contraintes, le dopage et la morphologie. Le consortium regroupe des experts aux compétences complémentaires, couvrant la modélisation, la fabrication et la caractérisation de ces émetteurs de lumière