A multi-lab team of scientists, led by CNRS Senior Researcher Martin Bowen of the Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), has experimentally demonstrated a new, industrially promising approach to harvest the most basic form of energy available: ambient heat.  Heat is the energy wasted in any process that transforms energy from one type to another while generating work. Typical processes involve the cycles of an engine, e.g in cars, refrigerators, etc… The team’s nanoscale devices output around 10nW of dc electrical power at room temperature. The resulting power density is much greater than that using conventional thermoelectric approaches that convert heat gradients into electricity. And in this case, no heat gradient was applied nominally. To achieve this remarkable, counterintuitive result, which was published in the top-tier journal Advanced Materials, the team combined two heretofore non-interacting branches of physics. Quantum thermodynamics is a rapidly developing field that has recently begun reexamining how an engine operates when its components are reduced to excited electrons on single atoms. “At this scale, an engine’s efficiency can be increased by the quantum mechanical interactions between the engine parts. One boost can arise upon measuring the state of a quantum object that acts as the engine’s working substance”, explains Andrew Jordan, a leading quantum thermodynamics theoretician from Chapman University, CA USA.

Typically, these engine cycles are studied using well-controlled, model experiments in which an ensemble of atoms is excited using optical and microwave light. Achieving an electronic counterpart would open promising possibilities for industrialization. However, so far, semiconductor physics approaches have failed to generate a quantum advantage. “This is likely because these engines typically utilize electrons that mostly behave like classical, charged particles without strong quantum interactions,” explains Heiner Linke, a leading quantum engine experimentalist at Lund University in Sweden.

The Bowen team’s solution is to implement the electronic engine using spintronics, a green nanotechnology that exploits the electron’s quantum spin property in addition to its charge. The electron is a Fermion particle, meaning that its spin can exist in one of two possible states… when measured! Between measurements, it can exist in a superposition of these two states. In atomic magnets called paramagnets, this superposition arises from the energy of ambient heat. To harvest this heat, in the team’s design, engine-fueling quantum measurements on the atom-borne spin are performed by electronically connecting the atom to the outside world using electrodes that only allow electrons of one spin type to flow within a narrow energy window. “We believe that quantum measurements, together with other quantum forms of engine fuel, can account for our experimental results”, explains Martin Bowen.

Another quantum engine fuel has been predicted to arise when the spins forming the working substance experience quantum coupling between one another. “Using electron paramagnetic resonance, we discovered that the temperature at which this transition occurs in our chains of atomic magnets matches a change in the temperature dependence of the device’s output power”, adds teammate Bertrand Vileno of the University of Strasbourg.

To build these concept features into a nanoelectronic device, the Bowen team used molecules. Indeed, phthalocyanine molecules are not only quite commonplace, but can host magnetic atoms so as to form spin chains. Also, molecules can more easily be positioned within a vertical nanopillar device than by working with single atoms directly. In addition, over the past 10 years, the Bowen-led IPCMS team has extensively researched — and patented, the spin selective properties of the interface between molecules and simple ferromagnetic metals like iron (which is plentiful). “These latest results, with a 89% spin polarization of the current, showcase how competitive this so-called ‘spinterface’ is relative to other solutions for a spin-selecting device electrode”, comments IPCMS teammate Wolfgang Weber.

Spintronic technology is normally used to encode and transmit information at a low energy cost. “When in contact with a molecular spin chain, the spinterface can help to spintronically encode information onto the chain’s quantum excited state. To promote the thermal fluctuations on the 3-member chain that are to be harvested, it was necessary to weaken the magnetic coupling between them by intercalating monolayers of non-magnetic fullerenes,” explains IPCMS teammate Samy Boukari.

This highlights the need, when designing quantum spintronic engines, to exquisitely control the quality of the heterostructure stack used to make the device.  “Spintronics is already present in hard disk drives and magnetic memories. This makes it a natural vector to industrialize quantum physics… if you can controllably insert quantum spin states within a device on an industrial scale”, adds Martin Bowen. At present, crafting vertical nanopillars that contain molecules remain an academic tour-de-force that only two labs worldwide master the technology for. Both are run by the Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), a French research agency. To transform entire, pristine heterostructures into nanoscale vertical devices without exposing the delicate molecular layer to degrading solvents, the IPCMS nanotechnological process utilizes several steps of macroscale and nanoscale masking. For co-author Armel Bahouka of the laser-cutting firm IREPA LASER near Strasbourg who provided the high-precision shadow-masks, “these results illustrate the potential that technological solutions have to help solve fundamental problems.”

A challenging but industrially promising alternative to molecules is to directly work with individual atoms. “Magnetic tunnel junctions comprising a magnesium oxide (MgO) barrier are found in hard drive read heads and magnetic memories. They constitute a prime industrialization vector for spintronic concepts”, reminds Shinji Yuasa, director of the Research Center for Emerging Computing Technologies at the Japanese National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST). The major hurdle is now to control the insertion of magnetic atoms into these devices. “Our 10-year collaboration with the IPCMS’s Bowen team has generated precious knowledge into how oxygen vacancies in the MgO barrier drive the device performance. Switching from an information technology to an energy technology use will require mastering how to fill these oxygen vacancies with appropriately placed magnetic atoms”, explains teammate Daniel Lacour of the Institut Jean Lamour in Nancy, France. The Bowen-led team had already reported first results into a more industrializable spintronic quantum engine using MgO magnetic tunnel junctions containing magnetic carbon atoms. What plagued those fortuitous results from 2019 was that energy output was observed on only one device.

The present study bolsters the case for other academic and industrial entities to further explore this new implementation of quantum energy technologies using spintronics. This could require accessing the properties of the spintronic quantum engine’s magnetic atoms while the engine is in operation.  “This very challenging experiment is precisely what the Bowen team unsuccessfully set out to undertake, using their unique prior expertise on device in-operando characterization techniques at our synchrotron facility”, remarks co-author Philippe Ohresser of Synchrotron SOLEIL near Paris, France.

Looking ahead, the Bowen-led team plans to study both the molecular and the MgO approaches, thanks to research consortiums built using fresh funding from French agencies. “This second set of results presents us with the challenge of clarifying which resources are powering these quantum spintronic engines”, remarks project consortium member Robert Whitney, who develops quantum thermodynamical theory at the LPMMC at Grenoble. “Our plans to study the engine’s magnetic atoms while in operation using microwaves could be very insightful”, adds project consortium member Joris Van Slageren, who studies quantum magnetism at the Institute of Physical Chemistry in Stuttgart, Germany. For Martin Bowen, the results are the natural progression of his 20+ year career focus on how spin-polarized currents that run across spintronic devices interact with quantum states. “What’s new is that I now get to interact with a whole new scientific community, and research technological solutions to society’s energy-driven crises. But you’ll be seeing me at Scientist Rebellion protests too, because technology alone won’t avert the major planetary catastrophe in progress.”

Published paper:

“Quantum advantage in a molecular spintronic engine that harvests thermal fluctuation energy”
Advanced Materials

https://doi.org/10.1002/adma.202206688

email: bowen@unistra.fr

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Référence : Anna Demchenko, Suvidyakumar Homkar, Corinne Bouillet, Christophe Lefèvre, François Roulland, Daniele Preziosi, Gilles Versini, Cédric Leuvrey, Philippe Boullay, XavierDevaux & Nathalie Viart
Unveiling unconventional ferroelectric switching in multiferroic Ga_0.6 Fe_1.4O₃ thin films through multiscale electron microscopy investigations
Acta Materialia 2022 https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645422007169?via%3Dihub

Contact : Nathalie Viart (PR – IPCMS/DCMI)

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Contact IPCMS : Daniele PREZIOSI (CR – IPCMS/DCMI)

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Contact : Martin Bowen (DR – IPCMS/DMONS)

Les processus de commutation rapide induits par la lumière sont à la base de quantité de nouveaux nanodispositifs actionnés par impulsions laser. Les composés à transition de spin SCO, où un changement d’état de spin, par exemple, d’un état diamagnétique s = 0 à un état paramagnétique s = 2, sont un exemple emblématique de ces nouveaux matériaux très prometteurs. Dans le cas des SCO que nous avons étudiés, la transition de spin modifie la longueur de la liaison entre un atome de métal central et ses ligands organiques. Cette transition qui peut être induite par des impulsions lumineuses ou thermiques modifie donc la taille des molécules et des nanocristaux. Dans de tels nanomatériaux, des changements de taille réversibles peuvent donc être induits par impulsion laser. Si des techniques macroscopiques, telles que la diffraction des rayons X ou les mesures magnétiques, avaient déjà permis de suivre la dynamique de ce processus avec une haute résolution temporelle, il s’agissait toujours de mesures obtenues sur des ensembles massifs de nanoparticules SCO, et la dynamique d’expansion à l’échelle d’un nano-objet individuel n’avait encore jamais pu être observée jusqu’à présent.

En collaboration avec des chercheurs de l’Université de Bordeaux, la microscopie électronique à transmission ultrarapide (UTEM) de l’IPCMS a été mise à profit pour révéler les mécanismes d’expansion de nanoparticules SCO individuelles sous impulsions laser nanosecondes. Pour améliorer l’absorption de chaleur dans le SCO, des nanobâtonnets d’or ont été intégrés dans les nanocristaux de SCO. Le chauffage plasmonique ainsi généré conduit à un transfert de chaleur contrôlé vers les nanoparticules SCO, qui se dilatent d’abord sous l’effet de cette transition thermique de spin, puis rétrécissent pour retrouver leur taille initiale lors du refroidissement. Avec la MET ultrarapide, nous sommes désormais en mesure de suivre l’évolution temporelle de la taille de ces nanoparticules au cours de ce processus avec une précision de l’ordre du nanomètre et de la nanoseconde. Cette étude a notamment permis de révéler que des cristaux SCO d’une longueur de 200 à 500 nm se dilatent de 5 % en 10 à 20 ns. Il est montré que la présence des nanobâtonnets d’or plasmoniques accélère et maximise l’expansion des nanocristaux, rendant ces dispositifs plus performants.

Référence : Y. Hu, M. Picher, N. M. Tran, M. Palluel, L. Stoleriu, N. Daro, S. Mornet, C. Enachescu, E. Freysz, F. Banhart, G. Chastanet: Photo-Thermal Switching of Individual Plasmonically Activated Spin Crossover Nanoparticle Imaged by Ultrafast Transmission Electron Microscopy, Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.202105586  

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Contacts IPCMS : benoit.heinrich@ipcms.unistra.fr

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Ces travaux ont été menés par une équipe de l’Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. de Strasbourg) associée à une équipe de l’Institut Franche-Comté électronique mécanique thermique et optique – sciences et technologies  (FEMTO-ST, CNRS/COMUE UBFC) et ils sont parus dans Nature Chemistry

Référence :

Energy funnelling within multichromophore architectures monitored with subnanometre resolution. S. Cao, A. Rosławska, B. Doppagne, M. Romeo, M. Féron, F. Chérioux, H. Bulou, F. Scheurer, G. Schull, Nature Chemistry. Publié le 24 mai 2021.
DOI : 10.1038/s41557-021-00697-z

Article disponible sur la base d’archive ouvertes arXiv

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Contact : Guillaume Schull | Directeur de recherche CNRS l IPCMS

In a nanocrystal array, transport occurs though hopping mechanism, leading to limited carrier diffusion length, in the 10 to 100 nm range. In the case of HgTe nanocrystals, Lan et al. [1] recently proposed that transport actually occurs between island of strongly coupled nanocrystals. In other word, partly delocalize states are formed within these islands and the bottleneck for conduction becomes the link between these islands. Based on this idea, it becomes of utmost interest to probe transport at the scale of a single island where transport can efficiently occur.

IPCMS recently collaborated with Emmanuel Lhuillier team of INSP (Paris), together with ONERA (Gregory Vincent, Palaiseau) and IEMN (Christophe Delerue, Lille) to address this technological lock. [2]

The authors exploited a smart concept of “nanotrench” electrodes, previously introduced by Dayen et al. [3] and developed at StNano plateform,  to build high aspect ratio electrodes spaced by few nanometers only and expanding over several tenths of µm. Device size resolution is no longer set by the wavelength of the light used for the lithography but rather by device geometrical factor, down to few nanometers resolution.

We observe that for such small devices the light responsivity of a thin film of HgTe nanocrystals exposed to infrared light is strongly enhanced compared to the same film deposited on µm-spaced electrodes. Because the device is small, gain is generated and quantum efficiency above 10⁵ are achieved (corresponding to 10⁵ electrons flowing per absorbed photons). This large gain enables large signal to noise ratio reaching 2×10¹² Jones at 200 K for a device with 2.5 µm cut-off wavelength, see figure 1b. This result over-performs the best photodiodes operating at the same wavelength. [2]

Carefull optoelectronics study and theoretical modeling demonstrates that transport is only driven by the part of the nanocrystal film located within the nanogap, and asset the top-notched performances of our device to the ultimate length scale of the photoactive channel. This result is important since it contradicts a common thought in the field that only photodiodes enable highest performances. The next challenge will be to achieve a matrix of such electrodes.

These result, published in Nature Communications, are important since it contradicts a common thought in the field that only photodiodes enable highest performances. The next challenge will be to achieve a matrix of such electrodes, and to address new generation of photovoltaic cells.

Read our article in https://www.nature.com/articles/s41467-021-21959-x

References

[1] Quantum dot solids showing state-resolved band-like transport, X. Lan et al., Nature materials 19, 323 (2020)

[2] Infrared photoconduction at the diffusion length limit in HgTe nanocrystal arrays.  Chu, A., et al. Nat Commun 12, 1794 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21959-x

[3] Nanotrench for nano and microparticle electrical interconnects, J-F. Dayen et al., Nanotechnology 21, 335303 (2010)

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Référence :

Low-energy spin precession in the molecular field of a magnetic thin film Christopher Vautrin, Daniel Lacour, Coriolan Tiusan, Yuan Lu, François Montaigne, Mairbek Chshiev, Wolfgang Weber, Michel Hehn Annalen der Physik, 10 décembre 2020.

https://doi.org/10.1002/andp.202000470

Mesurer les contraintes induites par les vibrations d’une membrane d’épaisseur atomique

Beaucoup d’avancées en photonique, optoélectronique et optomécanique ont été rendues possibles par l’amélioration de la qualité de systèmes de basse dimensionnalité. Les matériaux bidimensionnels (2D, par exemple les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs (TMD) et le graphène) en sont une bonne illustration. Ces systèmes présentent des propriétés électroniques remarquables et interagissent fortement avec la lumière. En même temps, les matériaux 2D sont des systèmes nanomécaniques extrêmement légers et sensibles, dont les propriétés sont contrôlables par une contrainte externe. Bien qu’une variété de dispositifs optoélectroniques et de résonateurs nanomécaniques fabriqués à partir de matériaux 2D aient été présentés, les liens subtils entre les propriétés microscopiques (par exemple, excitons, phonons, couplage entre couches) des matériaux 2D et leurs performances mécaniques macroscopiques demeurent méconnus.

Dans ce travail, des physiciens de l’Université de Strasbourg et du CNRS, en collaboration avec l’Université de Nottingham (UK), démontrent le couplage par contrainte, entre les degrés de liberté microscopiques d’un résonateur 2D (ici les phonons, c’est-à-dire les vibrations quantifiées du registre atomique 2D) et ses modes de vibration macroscopiques en flexion. Ce travail a été publié dans la revue Nature Communications.

Pour leur projet, les physiciens ont utilisé des « peaux de tambour » circulaires fabriquées à partir de monocouches de graphène. Ces membranes, épaisses d’un seul atome, sont suspendues au-dessus de cavités micrométriques et mises en mouvement par couplage capacitif, à l’aide d’une tension sinusoïdale dont la fréquence est proche de celle d’une résonance mécanique, comme c’est le cas dans de nombreux “systèmes nano-électromécaniques” (NEMS). La réponse mécanique en fréquence de ces tambours est mesurée par une méthode d’interférométrie optique, qui permet de détecter des déplacements de quelques picomètres seulement (Fig. 1a). Lorsque la fréquence de l’actuation correspond à une fréquence de résonance du tambour (généralement quelques 10⁷ Hz), nous observons un déplacement maximal comme dans tout oscillateur forcé. La spécificité de ce travail est d’effectuer, in operando, une mesure optique de la fréquence du phonon optique en utilisant la spectroscopie de diffusion de la lumière inélastique (une technique plus connue sous le nom de spectroscopie Raman). Les phonons optiques du graphène ont des fréquences bien définies proches de 40 THz, c’est-à-dire six ordres de grandeur plus élevés que la fréquence de résonance.

En pratique, un même faisceau laser est utilisé pour la lecture interférométrique du déplacement du graphène et simultanément pour sonder localement la fréquence de ses phonons optiques avec une résolution spatiale d’environ 1µm, limitée par la taille du faisceau laser. Les phonons optiques “émis” par le graphène donnent lieu à des pics nettement visibles dans le spectre de la lumière rétrodiffusée dont le décalage spectral par rapport au laser entrant indique directement leur fréquence (Fig. 1b). Les vibrations résonantes du graphène entraînent une contrainte de tension, c’est-à-dire une augmentation du paramètre de maille qui se traduit par une baisse bien définie de la fréquence des phonons. En régime linéaire (c’est-à-dire lorsque les vibrations sont harmoniques, avec de faibles amplitudes, proches de 1 nm), le niveau de contrainte induite dynamiquement se situe sous la limite de détection de notre dispositif. Cependant, lorsque le graphène est mis en mouvement avec par des forces plus intenses, ses oscillations deviennent non-linéaires et il est possible de mesurer des déformations induites dynamiquement jusqu’à 400 ppm (ou 0,04 %). Ce niveau de contrainte est anormalement élevé car il dépasse la déformation à laquelle on pourrait s’attendre dans des oscillations harmoniques de même amplitude. Ce résultat étonnant apporte un nouvel éclairage sur les non-linéarités mécaniques des matériaux 2D, car il pourrait traduire l’existence de champs de contrainte localisés qui se développent en régime non-linéaire. Bien que ces champs de contrainte n’aient pu être résolus dans cette étude, d’autres mesures résolues spatialement et résolues en phase (c’est-à-dire stroboscopiques) sur des résonateurs optimisés pourront aider à répondre à cette question importante.

Plus généralement, le couplage par contraintes dans les matériaux 2D contribue au développement de l’optomécanique hybride, un thème émergent qui consiste à manipuler des degrés de liberté quantiques (excitons, spins, pseudo-spins,…) couplés à des modes mécaniques macroscopiques. En effet, les nanorésonateurs fabriqués à partir du matériaux 2D possèdent des degrés de liberté quantiques « intégrés », ce qui favorise le couplage par contraintes, en comparaison à des systèmes plus volumineux, formés par exemple d’un émetteur quantique individuel implanté dans un système nanomécanique. L’accordabilité des caractéristiques d’émission ou de diffusion de lumière des matériaux 2D offre des pistes pour réaliser une nouvelle classe de systèmes opto-électromécaniques d’épaisseur atomique, qui seront également des sondes ultra-sensibles de leur environnement nanométrique.

a – Schéma de notre expérience combinant l’actuation électrostatique, la lecture optique du déplacement et la spectroscopie micro-Raman d’un tambour circulaire en graphène. La membrane de graphène est représentée par la ligne pointillée gris foncé ; ses vibrations sont esquissées en gris clair. M, DM, APD représentent respectivement un miroir, un miroir dichroïque, une photodiode à avalanche. Encart supérieur : image optique d’une monocouche de graphène suspendue (1L) contactée par une électrode en Titane/Or (barre d’échelle : 2 μm). b – Spectres Raman enregistrés à une fréquence d’actuation non résonante de Ω/2π = 32 MHz (symboles ouverts) et sous actuation non-linéaire résonante à 34.3 MHz (symboles pleins, spectre retourné verticalement pour plus de clarté). Les modes Raman G et 2D correspondent aux déplacements atomiques indiqués dans l’encart inférieur en a. c – (haut) Valeur efficace (RMS) du déplacement du graphène (même échantillon qu’en b) présentant un comportement hystérétique typique d’un régime non-linéaire. (bas) Fréquence du mode Raman 2D en fonction de la fréquence d’actuation. La contrainte locale induite dynamiquement est déduite de la variation de la fréquence du mode 2D et est anormalement élevée.

Lire aussi l’article publié sur le site « L’Actualité de la Recherche » de l’Université de Strasbourg :

https://recherche.unistra.fr/index.php?id=33035