Section 03 Matière condensée : structures et propriétés électroniques

VI. TGIR et centrales technologiques

A. Très Grandes Infrastructures de Recherche

Les progrès scientifique ne se conçoivent pas sans des avancées instrumentales. Dans ce domaine, le rôle des Très Grandes Infrastructures de Recherche (TGIR) est primordial. Les TGIR sont à la fois des centres d'instrumentation de haute technicité au service de la communauté scientifique et des laboratoires de recherche propre. Nous présenterons dans cette section les apports et évolutions des TGIR et de l'instrumentation en se focalisant sur les sources de rayonnement synchrotron, les sources de neutrons, et les champs magnétiques intenses.

1. Sources de rayonnement synchrotron et sources de neutrons
Sources existantes

Les sources synchrotron (SOLEIL, ESRF) et de neutrons (LLB-ORPHEE, ILL) sont très présentes dans les thématiques de recherche issues de la section 03. Les spécificités des sources synchrotron et de neutrons en termes de gamme d'énergie disponible (de l'infrarouge lointain aux rayons durs), d'intensité et de focalisation du faisceau, les propriétés de polarisation et de cohérence, en font néanmoins des outils incontournables pour certains champs d'étude comme la détermination de la structure électronique ou magnétique des matériaux ou la caractérisation des spectres d'excitations de basses énergies et de leur dispersion. On pourra citer dans ce contexte l'utilisation de la photoémission résolue en angle (ARPES), le dichroïsme magnétique, les techniques de diffusion X ou neutronique ou la spectroscopie infrarouge. D'autres part, les TGIR offrent une vue souvent multi-composantes que ce soit spectrale (électronique et magnétique) ou spatiale (état massif, état de surface, comportement à l'échelle nano). Cette approche multimodale devient nécessaire lorsqu'il s'agit de traiter de matériaux complexes qui comportent différents degrés de liberté parmi lesquels les multiférroïques ou les hétérostructures.

Vers les nouvelles sources

Les sources de rayons X et de neutrons ont connu des évolutions technologiques majeures dont la tendance va s'accentuer dans les prochaines années. Les nouvelles sources synchrotrons permettront d'atteindre des brillances extrêmes et de réduire encore les durées d'impulsions ouvrant la voie à l'étude des phénomènes ultra-rapides comme le renversement de l'aimantation, les transitions de phases électroniques ou l'imagerie cohérente pompe-sonde. D'autre part, les nouvelles sources de neutrons pulsées promettent des gains de brillance substantiels et des impulsions plus longues, offrant de nombreuses possibilités pour l'étude des phénomènes complexes comme les excitations fractionnaires ou le comportement à proximité d'un point critique quantique. À ceci, il faut ajouter les progrès réalisés dans les détecteurs autour des techniques de temps de vol (TOF) que ce soit pour les mesures de diffusion de neutrons ou plus récemment d'ARPES avec l'avantage de pouvoir déterminer la structure de bande 2D d'un matériau en une seule acquisition.

Dans le domaine des rayons X

Les lasers à électrons libres (FEL) dont le projet XFEL à Hambourg est le représentant européen, permettront d'atteindre des résolutions temporelles de l'ordre de 100 fs avec une fréquence de répétition très élevée (30 kHz pour le XFEL). À l'échelle nationale, le démonstrateur LUNEX5 vise une résolution fs voire sub-fs tout en maintenant une excellente stabilité temporelle entre impulsions. Les anneaux de stockage ne sont pas en reste grâce au développement d'une nouvelle maille magnétique permettant d'atteindre les limites de diffraction et un gain de brillance significatif.

2. Champs magnétiques intense
s

Les champs intenses constituent la spécificité du LNCMI qui regroupe, sur les deux sites grenoblois et toulousain, l'ensemble des activités dans le domaine des champs statiques et pulsés. Outre la production de champs magnétiques intenses, le LNCMI poursuit le développement d'instrumentations spécifiques et leur mise à disposition pour la communauté scientifique. La création prochaine du laboratoire européen des champs magnétiques intenses (EMFL) avec des partenaires allemands et néerlandais devrait amplifier l'utilisation des champs intenses et l'interaction avec les autres TGIR.

De nombreux efforts sont actuellement entrepris pour améliorer la production de champs magnétiques statiques notamment via l'utilisation de matériaux cold spray, permettant d'optimiser les propriétés électriques et mécaniques. Un champ de 36 Tesla a ainsi pu être obtenu. Le projet de bobine hybride alliant technologie supraconductrice et résistive permettrait d'obtenir des champs magnétiques au delà des 40 Tesla. La spécificité du site toulousain réside dans la production de champ pulsé de durée relativement longue (quelques dizaines de ms) avec un champ maximal de 90 Tesla. On note sur ce site la montée en puissance de l'installation « MégaGauss », produisant actuellement des champs de 180 Tesla sur quelques micro-secondes et produisant ses premiers résultats originaux.

Des installations compactes et mobiles sont mises en place sur différents grands instruments (ESRF, ILL, LULI, XFEL à Hambourg) afin de produire sur ces différents sites des champs entre 30 et 40 Tesla, non accessibles avec les bobines supraconductrices traditionnelles. Récemment, ces installations ont notamment apporté des résultats originaux dans les domaines des fermions corrélés (transport électronique et RMN à haut champ pour explorer la physique des supraconducteurs non conventionnels), ainsi que pour les propriétés de transport et optiques des matériaux graphitiques comme le graphite ou le graphène.

3. Spectroscopie théorique

La masse de données récoltées sur les TGIR, notamment dans les domaines de la spectroscopie X, IR ou optique et les mesures pompe-sonde, s'accompagne d'une demande croissante de soutien théorique. Parallèlement au travail des équipes théoriques dans les laboratoires, nous soulignons ici l'initiative européenne ETSF (European Theoretical Spectroscopy Facility) qui regroupe, à l'image des TGIR synchrotrons ou sources de neutrons, différentes « lignes de lumière » théoriques. Chaque ligne, spécialisée dans un domaine théorique en rapport direct avec les expériences (optique, perte d'énergie, photoémission, spectroscopie X, etc.), s'appuie sur un réseau de compétences théoriques en France ou à l'étranger en lien avec les propriétés des états excités. Les champs d'études sont vastes, comme la physique à N-corps, l'optique non linéaire, les spectroscopies X avec de nombreuses implications dans les domaines des semiconducteurs, des matériaux fortement corrélés ou des structures de basse dimensionnalité.

B. Centrales technologiques

Les centrales de micro et nanotechnologies sont un support indispensable à la recherche. Depuis 2005, les grandes centrales se sont mises en réseau pour former le REseau NAtional des grandes centrales de TECHnologie, RENATECH. Le GIS RENATECH regroupe six UMR/UPR CNRS-Universités réparties sur le territoire national et fortement impliqués dans la recherche technologique (IEF Orsay, LPN Marcoussis, LAAS Toulouse, FEMTO-ST Besançon, TA Grenoble et IEMN Lille).

RENATECH représente une infrastructure de 7000 m2 de salles blanches et un parc d'équipements imposant. Des chercheurs et enseignants-chercheurs sont également impliqués dans le développement des procédés technologiques du réseau. Ce réseau a comme objectifs : i) de coordonner les ressources technologiques des six grandes centrales afin d'optimiser les investissements lourds nationaux et créer une infrastructure de recherche au meilleur niveau international, ii) de mettre ses plate-formes technologiques à la disposition de l'ensemble des laboratoires et des entreprises ayant des activités en micro- et nanotechnologies et de favoriser ainsi le développement des recherches dans ces domaines. Enfin le réseau favorise les échanges entre les personnels des centrales pour promouvoir l'excellence du savoir-faire et de l'expertise scientifique et technologique.

Dans les six grandes centrales technologiques, on retrouve à la fois des moyens de croissance de matériaux classiques (silicium, arséniures...), des moyens de structuration (lithographie électronique, laser, UV...), et de caractérisation structurale (TEM, diffraction X). Ainsi les grandes centrales offrent toutes les étapes nécessaires à la fabrication d'un dispositif, depuis le matériau jusqu'au montage sur une embase. Depuis quelques années, les centrales investissent également dans des technologies moins classiques et élargissent ainsi l'offre technologique : plusieurs centrales se sont par exemple dotées de bâtis de dépôt par Atomic Layer Deposition qui permet de déposer des matériaux de façon conforme, sur des structures à haut rapport de forme, et contrôlés au nanomètre. On peut citer aussi la croissance des nitrures, la croissance du graphène, la croissance de nanofils, qui viennent compléter l'offre classique de croissance des SC (silicium, InP, GaAs).

Le caractère structurant du réseau RENATECH permet de répondre aux demandes « exogènes » de la communauté de deux façons : soit en guichet, où la fabrication est totalement prise en charge par la centrale, soit en mode plus collaboratif où le chercheur demandeur est impliqué dans la fabrication et, aidé du personnel technique, participe activement à la technologie.

Les centrales de proximité ont un rôle complémentaire et néanmoins essentiel. Elles permettent aux chercheurs de laboratoires proches disposant souvent de moyens de croissance plus spécifiques, un accès rapide à une technologie moins complexe, ou de combiner plus facilement des techniques hybrides. On dénombre actuellement 9 centrales de proximité, réparties sur tout le territoire. Elles offrent environ 3 000 m2 de salle propre.

Au vu de leur coût de fonctionnement élevé, un soutien financier pérenne est absolument nécessaire pour assurer leur réactivité et les maintenir à la pointe de la technologie.

C. Instrumentation de laboratoire

Plusieurs avancés ont marqué ces dernières années l'instrumentation de laboratoire. L'arrivée à maturation des circuits programmables permet désormais le traitement de mesures en temps réel, comme le démontrent la manipulation des états quantiques ou la lecture de matrices de bolomètres. L'affirmation de la cryogénie sèche a permis le développement de nouvelles expériences aux très basses températures. Le développement de l'instrumentation de laboratoire est centrale pour de grandes collaborations internationales de la Mission Planck, Edelweiss, à Nika (un réseau de 350 bolomètres supraconducteurs installé au télescope de l'IRAM) comme européennes (MicroKelvin) et confère aux étudiants des méthodes de travail et des techniques de pointe ouvrant un grand nombre de possibilités pour la poursuite de leur carrière.