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une_2024-11_aggregats-SinhaRoy

2024-11-19T00:01:44+00:00

Magnétisme induit par la lumière dans les agrégats

Light-induced magnetism in clusters

Rajarshi Sinha-Roy (équipe Physico-chimie théorique), en collaboration avec des collègues de Strasbourg, a publié un article intitulé "Orbital magnetism through inverse Faraday effect in metal clusters" dans la revue Nanophotonics. Cet article a fait la couverture de la revue.

Rajarshi Sinha-Roy (Theochem team), with colleagues from Strasbourg, published an article entitled "Orbital magnetism through inverse Faraday effect in metal clusters" in the journalNanophotonics. This article was selected the cover story.

Il est bien connu que le magnétisme dans les atomes et les molécules provient du spin et du moment angulaire des électrons. Les recherches menées au cours des deux dernières décennies ont confirmé cette relation pour les solides également. Dans les agrégats, dont la taille se situe entre celle des molécules et celle des solides, la contribution du magnétisme orbital n'a attiré l'attention que récemment, notamment grâce à leurs propriétés plasmoniques.
Ce travail démontre, pour la première fois, la faisabilité de générer un magnétisme orbital induit par la lumière dans des agrégats métalliques plasmoniques. L'étude théorique ab-initio explore la dynamique quantique du transfert du moment angulaire d'un champ lumineux polarisé circulairement vers le système électronique, donnant lieu à un moment magnétique orbital dépendant du temps via l'effet Faraday inverse (IFE). La prise en compte explicite d’une description atomiquement précise des agrégats a permis de comprendre l'influence de la structure électronique d'un métal donné, ainsi que d'identifier la contribution inégale des électrons ayant un nombre qunatuique azimutal différent. Les simulations ont également montré que l'excitation à l'énergie plasmonique peut induire une magnétisation orbitale dans un agrégat métallique en quelques dizaines de femtosecondes, soit une vitesse au moins deux ordres de grandeur plus rapide que celle de la commutation magnétique dans les matériaux actuels.

Magnetism in atoms and molecules is well-known to have contributions from the spin and the angular moment of the electrons. Researches in the last two decades have pushed this statement to hold for solids as well. In clusters, which possess sizes in between molecules and solids, the contribution of orbital magnetism has caught attention only recently, thanks to the plasmonic characteristics.
This work demonstrates for the first time the feasibility of generating light-induced orbital magnetism in metal clusters. The ab-initio theoretical study explores the quantum mechanical dynamics of the transfer of angular momentum from a circularly polarized light field to the electronic system, giving rise to a time-dependent orbital magnetic moment via the inverse-Faraday-effect (IFE). Considering explicitly the atomically precise description of metal clusters allowed to unravel the effect of the electronic structure of a given metal, as well as to identify the different contribution from electrons having different azimuthal quantum number. The simulations also showed that excitation at plasmon energy can induce orbital magnetization in metal cluster in few tens of femtoseconds which is at least two orders of magnitude faster than the speed of magnetic switching in present-day materials.

une_2024-09_porous-Dujardin

2024-09-04T14:00:54+00:00

Une éponge scintillante pour surveiller les émissions de gaz radioactifs

A scintillating sponge for monitoring radioactive gas emissions

Pavlo Mai, Yannis Cheref et Christophe Dujardin (équipe Luminescence), en collaboration avec des collègues de Lyon et Saclay, ont publié un article intitulé "Real-time detection and discrimination of radioactive gas mixture using nanoporous inorganic scintillators" dans la revue Nature Photonics. Cet article a fait l'objet d'un communiqué de presse du CNRS.

Pavlo Mai, Yannis Cheref and Christophe Dujardin (Luminescence group), in collaboration with colleagues from Lyon and Saclay have published a paper entitled "Real-time detection and discrimination of radioactive gas mixture using nanoporous inorganic scintillators" in the journal Nature Photonics. This article is subject to a CNRS press release.

Un aérogel scintillant permettant des mesures en temps réel et avec une excellente sensibilité de certains gaz radioactifs, essentielles pour surveiller le bon fonctionnement des centrales nucléaires, vient d’être mis au point. Cette méthode propose une alternative à la fois plus rapide et plus économique que les méthodes actuelles, souvent complexes et coûteuses.
La technologie est basée sur un mélange gaz-solide. Elle repose sur la synthèse d'un aérogel d'environ un centimètre d'épaisseur et de quelques centimètres de diamètre, à partir de nanoparticules de matériaux scintillants dont la taille est de l'ordre de 5 nanomètres. Ce composite possède une structure ultraporeuse, semblable à une éponge, constituée à seulement 15 % de solide tout en étant transparent. Cette architecture singulière permet aux gaz de diffuser avec une grande facilité. Lorsque le gaz pénètre dans la cuvette à scintillation et entre en contact avec l'aérogel, celui-ci convertit l'énergie produite par l'émission d'électrons lors de la désintégration des radionucléides en lumière visible. Ce flash lumineux est aussitôt capté par un système de détection ultrasensible, capable de mesurer chaque photon quasi instantanément. Les rendements de détection obtenus sont de 20 % pour le tritium et de presque 100 % pour le krypton. Cette nouvelle approche de détection de gaz radioactifs permet d’envisager un large déploiement de capteurs dédiés à la surveillance des activités nucléaires civiles.

A scintillating aerogel enabling real-time measurements with excellent sensitivity to certain radioactive gases, essential to monitoring the proper functioning of nuclear power plants, has just been developed. This method proposes an alternative that is both quicker and more economical than the current ones, which are often complex and costly.
It is based on synthesising an aerogel about one centimetre thick and a few centimetres in diameter, using nanoparticles of scintillating materials about 5 nanometres in size. This composite has a highly porous structure similar to a sponge, consisting of only 15% solids, while remaining transparent. This unique architecture allows the gas to diffuse very easily. When the gas penetrates the scintillation vial and comes into contact with the aerogel, the latter converts the energy produced by the emission of electrons during radionuclide decay into visible light. This flash of light is immediately captured by a highly sensitive detection system that can measure each photon almost instantaneously. The detection efficiency was 20% for tritium and nearly 100% for krypton. This new approach to detecting radioactive gas has paved the way for the widespread use of sensors for monitoring civilian nuclear activities.

une_2024-08_record-Lebbou

2024-08-30T00:01:13+00:00

Record d’absorption pour le saphir

World record in sapphire absorption

Teo Aventin, Abdeldjelil Nehari, Christophe Dujardin, Gianpetro Cagnoli, Kheirreddine Lebbou (équipes Luminescence et Soprano), en collaboration des collègues de Lyon, ont publié un article intitulé "Enabling cryogenic gravitational waves detectors: growth of sapphire crystals with record low absorption in the near infrared" dans la revue CrystEngComm.

Teo Aventin, Abdeldjelil Nehari, Christophe Dujardin, Gianpetro Cagnoli, Kheirreddine Lebbou (Luminescence and Soprano teams), in collaboration with colleagues from Lyon, published an article entitled "Enabling cryogenic gravitational waves detectors: growth of sapphire crystals with record low absorption in the near infrared" in the CrystEngComm journal.

Le saphir est déjà utilisé aujourd’hui dans le détecteur à ondes gravitationnelles cryogénique japonais KAGRA. Bien que prometteur sur papier, certains problèmes quant à son utilisation en tant que substrat subsistent encore, notamment concernant son absorption optique a 1064 nm. Une absorption optique trop forte mène a une réduction de la puissance du laser pour éviter d’introduire plus de chaleur dans le miroir que ce qui peut être extrait. Cependant, une puissance de laser plus faible augmente le bruit quantique, ce qui réduit la sensibilité totale du détecteur.
Dans cette publication, les auteurs ont obtenu une absorption record de 11ppm/cm et démontrent la possibilité de produire du saphir avec des absorptions de moins de 50 ppm/cm de manière contrôlée et répétée, ainsi que l’origine de cette absorption.

Sapphire is already in use today in the Japanese KAGRA cryogenic gravitational wave detectors. While promising on paper, some problems with the use of sapphire substrates have been highlighted, most notably its optical absorption at 1064 nm. A higher optical absorption means reducing the laser power to avoid introducing excess heat than can’t be extracted from the mirrors while maintaining the mirror nominal temperature. However, a lower laser power increases the quantum noise, leading to an overall reduction in the detector sensitivity.
In this paper, the authors obtained a record absorption of 11ppm/cm and demonstrate the feasibility of producing sapphire with absorptions of less than 50ppm/cm in a controlled and repeated manner, as well as the investigation of the origin of this absorption.

une_2024-08_Carbon-Maioli

2024-08-27T00:01:13+00:00

Mesure de la résistance thermique à l'interface carbone-eau

Extraction of the thermal resistance at the carbon-water interface

Alessandro Casto, Margherita Vittucci, Fabien Vialla, Aurélien Crut, Fabrice Vallée, Natalia Del Fatti, Francesco Banfi et Paolo Maioli (équipe FemtoNanoOptics), en collaboration avec des collègues de Turin, ont publié un article intitulé "Experimental Optical Retrieval of the Thermal Boundary Resistance of Carbon Nanotubes in Water" dans la revue Carbon.

Alessandro Casto, Margherita Vittucci, Fabien Vialla, Aurélien Crut, Fabrice Vallée, Natalia Del Fatti, Francesco Banfi and Paolo Maioli (FemtoNanoOptics group), with colleagues from Politecnico di Torino, published a researcher article entitled "Experimental Optical Retrieval of the Thermal Boundary Resistance of Carbon Nanotubes in Water" in the journal Carbon.

Une compréhension quantitative et détaillée des mécanismes physiques régissant le transfert de chaleur aux échelles macro et nanométriques est essentielle pour la gestion thermique, le refroidissement des dispositifs, l'optimisation de la conductivité thermique et en science fondamentale. Un paramètre clé dans ce contexte est la résistance thermique d'interface (ou TBR pour Thermal Boundary Resistance), appelée également résistance de Kapitza. La TBR est la résistance qui ralentit le flux de chaleur à l'interface entre deux matériaux à des températures différentes. Bien que les simulations théoriques et numériques de la TBR soient abondantes, les mesures expérimentales sont extrêmement difficiles et rares. Cela est néanmoins devenu essentiel pour toutes les applications et les avancées fondamentales.
Les chercheurs de l'iLM ont réussi à extraire la valeur quantitative de la TBR à l'interface entre le carbone et l'eau en utilisant la spectroscopie optique résolue dans le temps. Ils ont appliqué cette technique pour observer le refroidissement ultrarapide (échelles de temps des picosecondes à nanosecondes) de nanotubes de carbone multiparois dispersés dans l'eau, après leur chauffage ultrarapide avec des impulsions optiques femtosecondes. L'analyse fine de la dynamique de refroidissement permet d'extraire la résistance thermique d'interface. Singulièrement, les expériences ont révélé que la TBR est réduite d'un facteur cinq (améliorant ainsi le transport thermique) lorsque des groupes hydroxyle (-OH) sont liés de manière covalente à la surface du carbone.

A quantitative and detailed understanding of the physical mechanisms governing heat transfer at both macro and nanoscales is essential for thermal management, device cooling, optimizing thermal conductivity, and fundamental science. A key parameter in this context is Thermal Boundary Resistance (TBR), also known as Kapitza resistance. TBR is the resistance that impedes heat flow at the interface between two materials with different temperatures. Although theoretical and numerical simulations of TBR are abundant, experimental measurements are exceedingly difficult and uncommon. This has, however, become essential for all applications and fundamental advancements.
Researchers at iLM have successfully quantified the TBR at the interface between carbon and water using time-resolved optical spectroscopy. They employed this technique to observe the ultrafast cooling (on the pico- to nanosecond timescale) of multi-wall carbon nanotubes dispersed in water, following impulsive heating with femtosecond optical pulses. The fine analysis of the cooling dynamics leads to quantitative assessment of the TBR. Remarkably, the experiments revealed that TBR is reduced fivefold (enhancing thermal transport) when hydroxyl (-OH) groups are covalently attached to the carbon surface.