Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies

La structure de bande électronique détermine les propriétés électroniques d’un matériau. Ainsi, pour comprendre un nouvel état de la matière, il est essentiel d’accéder à la structure de bande électronique du matériau. Un phénomène particulièrement intéressant est l’effet Hall quantique anormal (QAHE), dans lequel la résistance transversale du matériau est quantifiée en l’absence de champ magnétique. Cet effet a été proposé pour améliorer les interconnexions entre dispositifs quantiques, héberger des modes de Majorana en proximité avec des supraconducteurs, et servir de standard de résistance quantique de Hall sans champ magnétique. Le QAHE est observé dans divers types de matériaux (comme les isolants topologiques, les systèmes de moiré, etc.), à condition que le système brise la symétrie de renversement du temps et possède des bandes topologiques non triviales. Les matériaux à base de graphène avec des motifs de moiré sont particulièrement attractifs pour étudier le QAHE en raison de leur meilleure qualité cristalline, de leurs contacts électriques plus performants que ceux d’autres matériaux, de leur grande ajustabilité et du contrôle in situ de l’alignement des couches. Malheureusement, l’accès expérimental à leur structure de bande électronique est complexe, car ces matériaux sont encapsulés et de taille limitée, ce qui empêche l’utilisation des outils de spectroscopie standard. Je propose de mettre en œuvre une technique de spectroscopie tunnel résolue en énergie et en moment (MERTS), combinée à des mesures de transport de charge et à un contrôle angulaire in situ, afin d’explorer l’origine de l’effet Hall quantique anormal dans les systèmes de moiré à base de graphène. Cette approche tripartite me permettra de corréler directement les caractéristiques de la fonction spectrale et les propriétés de transport de charge à mesure que la longueur d’onde du moiré évolue, et d’aborder les questions suivantes : i) Est-il possible d’observer la fonction spectrale des matériaux 2D à l’aide de la MERTS ? ii) Quel est le lien entre l’alignement des couches (brisant la symétrie) et la topologie des bandes ? Ces résultats traceront une voie pratique pour étudier et concevoir des bandes topologiques dans d’autres matériaux 2D et hétérostructures.

Speckle patterns are distinct features of disordered materials. While often regarded as mere noise, the intricate and responsive speckle patterns to minor fluctuations in external factors render them an ideal candidate for applications in hyperspectral imaging and sensing. The MetaSpectrometer harnesses the high information capacity of the speckle pattern of resonant disordered metasurfaces for compact, machine learning-assisted, non-invasive, and efficient near-infrared spectroscopy. An ultra-compact footprint, portability, cost-efficiency, minimal losses, machine-learning assisted recognition, angle-insensitivity, suppressed specular scatterance, significant memory effect, and ability to accommodate low coherence fields are the main features that cannot be currently obtained with any technology proposed so far and would represent a huge step forward in the state of the art. MetaSpectrometer brings together the complementary expertise of the postdoctoral researcher (PR) in metasurface engineering; the incoming host (CNRS-C2N, France) in silicon photonics, optoelectronics and nanofabrication; the associated the outgoing host (MIT, USA) in spectroscopy and machine learning, the secondment host (Rice, USA) in lensless imaging and the industrial partner (ZEISS, Germany) in spectroscopy and market analysis. The project allows PR to acquire expertise in silicon photonics technology's design, fabrication, characterization, and commercialization while giving back his expertise in metasurface design. The developed NIR spectrometers will find direct potential applications in wearable health monitoring systems, food screening, agriculture, and environmental screening that a remarkable global market size. The distribution of the work packages with distinct and clearly defined milestones and deliverables makes sure that the progress of the project will be monitored and matched with the work plan.

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 métasurfaces optiques, fines couches judicieusement nanostructurées, ont la capacité de manipuler la lumière à l’échelle locale, avec des fonctions indépendantes sur plusieurs bandes spectrales. Ainsi, l’émission thermique infrarouge d’une surface peut être modifiée et pilotée à l’aide de nanocavités optiques. Si elles sont aussi largement utilisées pour contrôler la phase, la polarisation ou la diffraction, très peu de travaux ont porté jusqu’à présent sur le contrôle de la diffusion de la lumière, d’autant plus que les structurations restent souvent périodiques. Or, dans un contexte défense, une surface va avoir une réponse optique qui va permettre de la détecter, l’identifier et éventuellement agir à son encontre. Cette détection optique est très dépendante des scénarios considérés, mais repose fondamentalement sur le rayonnement directement émis par l’objet ou sur le rayonnement renvoyé et peut porter sur plusieurs bandes spectrales. Dans un contexte civil, obtenir des comportements d’émission et diffusion à façon dans le visible et l’infrarouge peut servir la lutte anti-contrefaçon, mais a aussi des intérêts pour le photovoltaïque ou les vitrages de bâtiments ou de véhicules qui doivent combiner plusieurs fonctionnalités visuelles et thermiques. Le projet RENARD vise au développement de métasurfaces utilisant des ensembles désordonnés d’antennes permettant le contrôle à la fois de l’émissivité infrarouge et du comportement en diffusion, angulairement et spectralement. Ces dispositifs combinent les propriétés des structures résonantes à l’état de l’art, et des connaissances récemment développées dans le domaine de la diffusion. La réponse optique d’une surface texturée va dépendre de 2 échelles. La première échelle, microscopique, est décrite usuellement via les équations de Maxwell avec des éléments résonants permettant de contrôler le niveau d’absorption ou de transmission. La seconde échelle est à un niveau plus macroscopique et correspond à l’organisation des nanostructurations, qui peut aussi être décrite comme un facteur de structure et va rigoureusement déterminer les directions autorisées de renvoi de la lumière. Le projet vise à associer ces deux éléments pour démontrer des réponses qui seraient compatibles d’applications type furtivité. Le projet RENARD part de développements théoriques sur les structures désordonnées et de développements de modèles pour permettre la conception, l’optimisation et la fabrication de trois familles de composants. La première famille de composants sont des revêtements présentant un diagramme de rayonnement de diffusion anormal (contrôle angulaire de l’énergie). La deuxième famille de composants sont des revêtements combinant un contrôle angulaire de l’énergie et un comportement résonant, notamment pour des bandes spectrales d’émissions et de diffusions (contrôle spectral de l’énergie). La troisième famille de composants sont des revêtements présentant les propriétés des deux familles précédentes, mais sur des surfaces non planes. Le projet vise à arriver à une caractérisation expérimentale de ces différents dispositifs fabriqués par lithographie laser, et à développer une maquette de laboratoire grande surface sur substrat souple permettant d’illustrer la capacité de camouflage vis à vis de caméras infrarouge. Dans ce projet, nous visons plusieurs objectifs : 1. Développer un modèle et implémenter un code de simulation d’ensembles désordonnés de structures résonantes. 2. Démontrer le contrôle spectral simultané de la diffusion et de l’émission thermique par une métasurface. 3. Démontrer le contrôle angulaire non-lambertien de la diffusion par une métasurface désordonnée. 4. Concevoir des métasurfaces combinant un contrôle spectral et un contrôle angulaire (identiques ou différents) sur plusieurs bandes spectrales de manière indépendante. 5. Étendre ces résultats aux surfaces non planes.

La plage de longueur d'onde eSWIR (extended short wave infrared) allant de 1 µm à 2,5 µm suscite un intérêt grandissant avec de nombreuses applications émergentes aussi bien sur les plans civiles, spatiales que militaires. On peut citer par exemple le tri sélectif de plastique à 1,9 µm, l'observation spatiale de l'environnement terrestre et notamment des dégagements de CO2 d'origine humaine ou encore l'utilisation de laser plus difficilement détectable au-delà de 1,7 µm pour les applications de télémétrie, de télécommunication en espace libre ou d'imagerie active. Aujourd'hui, les quelques imageurs eSWIR existants fonctionnement à des températures cryogéniques en dessous de 200 K, ce qui nécessite la mise en place d'une machine à froid encombrante et couteuse en énergie. Le projet AGATINE a ainsi pour objectif de réaliser en France un premier démonstrateur d'un imageur VGA hautes performances dans la gamme de longueur d'onde du proche infrarouge étendu à 2,5 µm et avec une température de fonctionnement non cryogénique d'au moins 230 K. Pour y parvenir, nous utiliserons les solutions à base de super-réseaux de matériaux III-V intégrées dans une architecture détectrice à barrière. Des super-réseaux de type Ga-free se sont imposés pour le moyen infrarouge mais ne sont pas compatible de l'eSWIR. Nous avons identifié une alternative prometteuse de type InAsSb/GaAsSb dans le cadre d'une collaboration commune entre Lynred, III-V Lab et le CEA et l'enjeu est de confirmer son aspect prometteur en allant jusqu'à la fabrication et la caractérisation fine de cet imageur infrarouge. La solution proposée devra de plus être compatible de la chaine de production Lynred. Ce projet comporte cinq partenaires travaillant sur la détection infrarouge de longue date et en étroite collaboration. Le consortium va des systémiers Thales Alenia Space et Thales and Air System, à l’industriel français de l’imagerie infrarouge Lynred et enfin trois entités impliquées dans le développement des matériaux III-V : III-V Lab, IES et C2N étroitement liées. Pour répondre à cet objectif ambitieux, ce projet se décompose en 5 tâches : une tâche de management et 4 tâches techniques. Dans les tâches techniques, nous fabriquerons ce matériau super-réseau InAsSb/GaAsSb et le caractériserons par des mesures structurales comme la diffraction aux rayons X et le microscope à transmissions électronique ainsi que par des mesures électro-optiques comme la photoluminescence, la transmission FTIR, la décroissance de photoconduction ou l'effet Hall. Nous réaliserons ensuite et caractériserons par des mesures de courant noir et de réponse spectrale deux générations de composant détecteur mono-élément. Les architectures les plus performantes seront sélectionnées pour la fabrication de l'imageur infrarouge. Des mesures radiométriques, spectrales ainsi que de la résolution de l'imageur seront enfin réalisées. En parallèle, deux études plus amont seront menées. L'une concernera l'analyse de la métallurgie exacte du super-réseau par des techniques de microscopie avancées HAADF afin d’ajuster nos dessins de composant à la base de la composition réelle. L'autre concernera la croissance des matériaux massifs à base d'antimoine par MOVPE susceptibles de couvrir la gamme eSWIR.

Les dispositifs à base de GaN offrent des alternatives attrayantes aux technologies existantes à base de silicium pour répondre à la demande toujours croissante de dispositifs en électronique haute puissance. La largeur de bande interdite du GaN améliore la tension de claquage du dispositif et réduit la résistance à l'état passant par rapport au silicium traditionnel dans les dispositifs unipolaires. Cependant, les limitations en performances de ces dispositifs conventionnels peuvent être surmontées en utilisant la technologie Super-Junction (SJ), déjà démontrée expérimentalement dans les technologies Si et SiC. En raison des défis actuels liés au dopage sélectif des couches dans le matériau GaN, la fabrication de dispositifs GaN à SJ verticaux reste un défi majeur et sans résultats expérimentaux publiés à ce jour. Pour surmonter ces limitations, nous proposons une technologie innovante mettant en œuvre des jonctions PN latérales dans des nanofils de GaN pour créer la prochaine génération de dispositifs GaN SJ verticaux. Ces nouveaux dispositifs auront une tension de claquage et une résistance à l'état passant de 650V et 0.02O cm² respectivement, pour une région de dérive de 2 um d'épaisseur. Le consortium est composé de quatre laboratoires de recherche publics : LN2 (Laboratoire deNanotechnologies et Nanosystèmes), C2N (Centre des Nanosciences et Nanotechnologie), LTM (Laboratoire des Technologies de la Microélectronique) et Ampère, couvrant un large éventail d'expertises et de connaissances appliquées. L'expertise complémentaire des partenaires dans les activités liées au GaN est un facteur clé contribuant au succès de ce projet. Pour ces laboratoires académiques, participer au projet Super-GaN représente une excellente opportunité pour développer de nouvelles compétences, générer un impact scientifique significatif et créer de la valeur économique.

Après deux années de chaleur record, les villes du monde entier ont été menacées par des températures pouvant atteindre les 50 °C, mettant à l'épreuve la santé des habitants et poussant les réseaux électriques au bord de l'effondrement. La nécessité d’un tournant radical dans les stratégies de lutte contre le réchauffement climatique, notamment dans les zones urbaines s’impose donc. L'efficacité des systèmes de refroidissement est une question majeure, car selon l'Agence internationale de l'énergie, jusqu'à 20 % de l'électricité utilisée dans les bâtiments est consommée par des climatiseurs. Néanmoins, la dureté des vagues de chaleur, même dans les zones géographiques autrefois considérées comme tempérées, nous oblige à repenser les approches traditionnellement adoptées. Il faut envisager une nouvelle stratégie où des climatiseurs classiques utilisés dans de grands espaces intérieurs fonctionneront en parallèle avec des systèmes de refroidissement petits, légers et facilement déployables qui seront capables de préserver véhicules, médicaments et nourriture, ainsi que les corps humains à une température appropriée, même lorsque la température extérieure atteint des pics de l'ordre de 50°C. CooT propose une approche innovante de refroidissement où des films de polymères P(VDF-TrFE-CFE) électrocaloriques (EC) seront utilisés comme réfrigérants dans des dalles plates, légères, flexibles, évolutives et énergétiquement efficaces. Celles-ci fonctionneront sur une différence de température de l'ordre de 20-30 °C à 20 % du COP de Carnot et avec une puissance frigorifique de l'ordre de 100 mW/cm2. Une gestion innovante de la chaleur, mettant le réfrigérant EC en contact avec les réservoirs, permettra d'atteindre des rendements plus élevés et une meilleure compacité. CooT jettera les bases de nouvelles technologies de refroidissement efficaces, faciles à déployer, portables et évolutives, qui peuvent changer radicalement la manière dont nous abordons les vagues de chaleur.

Ce projet porte sur l'étude des phénomènes électronique quantiques à travers les jonctions dans des matériaux bidimensionnels (2D). Le projet combine la croissance, la microscopie à effet tunnel (STM) et les calculs ab initio pour étudier les processus électroniques dans des jonctions planaires, responsables des phénomènes de transport dans le graphène et les dichalcogénures de métaux de transition. Les ondes de densité de charge et la diffusion des fermions de Dirac dans les jonctions seront étudiées en utilisant la capacité du STM à visualiser les interférences électroniques et la densité d’état électronique, en combinaison avec des calculs ab initio. Des défauts contrôlés seront introduits pour visualiser la réponse électronique des matériaux 2D dans des hétérostructures planaires. Les résultats de cette étude fourniront des informations précieuses sur le transport quantique et les effets des impuretés dans les matériaux 2D au travers de jonctions.

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 ».

Les métamatériaux élastiques topologiques, à l'interface de la physique de la matière condensée et des sciences des matériaux, sont capables d'héberger des états de surface protégés par des propriétés topologiques intrinsèques, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour contrôler la propagation des ondes élastiques. Ce projet se concentre sur la démonstration expérimentale du guidage topologique par le biais d'un contrôle actif de l'onde élastique injectée dans la structure. Cette approche, qui repose sur l'adaptation des propriétés spatiales et spectrales des ondes acoustiques de surface à GHz (SAWs) à l'aide d'un modulateur spatial de lumière, associé à la technique de l’acoustique picosecondes, permet un contrôle précis de la fréquence des ondes et de leurs caractéristiques spatiales. Ces ondes devraient offrir des aperçus approfondis sur les modes d'interface, les modes de coin et leur stabilité dans des structures topologiques, en particulier à des échelles nano et submicroniques et à des fréquences de GHz.

EXCEPTIONAL a pour but de réaliser un but relativement ancien dans le domaine de la photonique non-hermitienne: la réalisation d'un laser fonctionnant en un point exceptionnel (EP). Dans ce but nous souhaitons i) mettre en oeuvre une technologie de laser bien maîtrisée, celle des lasers à semiconducteurs à cavité verticale externe (VECSELs) et ii) développer un nouveau type de lasers, soit un laser à cavité macroscopique dont le milieu à gain est constitué de molécules de colorant dopant une matrice diélectrique formée de nanotubes de nitrure de bore (BNNTs). En plus de leur immunité au blanchiment grâce à l'écrantage par les nanotubes, ce système laser présente toutes les caractéristiques nécessaires au fonctionnement sur un point exceptionnel: i) les nonlinéarités dispersives des molécules de colorant sont faibles au maximum de gain, nous permettant de construire un système dans la configuration dite "parité-temps"; qui garantit l'existence des EPS et ii- la durée de vie (dans le domaine des nanosecondes) de fluorescence de ces molécules de colorant est plus courte que celle des photons dans la cavité, permettant au laser de fonctionner en régime de classe-A, qui permet la stabilité des EPS.

Les réseaux neuronaux artificiels sont à la base de la révolution actuelle de l'intelligence artificielle (IA), remodelant la façon dont la société perçoit, traite et produit l'information. Cependant, ils ont entraîné une forte augmentation de la consommation d'énergie des technologies de l'information au niveau mondial en raison d'architectures matérielles mal optimisées et d'algorithmes exigeants en termes de calcul qui nécessitent l'informatique en nuage. Ce dernier point a limité le développement de nombreuses applications d'intelligence artificielle, en particulier l'intelligence artificielle périphérique, qui nécessite des calculs locaux à faible consommation d'énergie, rapides et en temps réel. Ce projet vise à démontrer le grand potentiel d'un réseau neuronal nanomagnétique compact pour réaliser un calcul neuromorphique rapide et à faible consommation d'énergie à la périphérie. Notre approche repose sur la diffusion d'ondes de spin (SW) avec des textures topologiques de spin comme les réseaux de skyrmions et les domaines labyrinthiques, ces derniers pouvant être reconfigurés à l'aide de champs magnétiques et de courants de spin. L'acheminement du signal et l'activation non linéaire sont assurés par la propagation et l'interférence des SW, tandis que les poids sont stockés de manière non volatile dans la texture de spin. En utilisant les paradigmes de l'informatique de réservoir et des réseaux neuronaux physiques, nous visons à démontrer et à comparer les tâches de reconnaissance des formes avec notre dispositif. Pour atteindre cet objectif, nous développerons des solutions scientifiques et techniques nouvelles et inexplorées développement de matériaux magnétiques hybrides pour la propagation et la diffusion des SW, l'imagerie des SW à l'aide de la microscopie à centre NV, la détection électrique des SW à grand signal, la manipulation des textures de spin par divers stimuli externes, la modélisation et l'algorithme d'entraînement du système physique.