Recherche – Les faits marquants 2020

Décembre 2020

Spintronique et optronique, une alliance vertueuse

Spintec a démontré dans le cadre du projet européen Spice une jonction tunnel magnétique (JTM) à écriture optique, 1000 fois plus rapide que son équivalent à écriture électrique. Cette brique technologique pourrait donner naissance à des mémoires non volatiles MRAM aux performances inédites.
Spintec avait établi plus tôt dans le projet que l’aimantation d’une couche termium cobalt se retournait sous l’effet d’un laser femtoseconde. L’écart avec une stimulation électrique était déjà considérable, puisque celle-ci ne peut être plus rapide qu’une centaine picosecondes. Mais il s’agissait d’une démonstration sur matériaux, et non sur une JTM fonctionnelle.

Vers des points-mémoire de 30, voire 20 nanomètres
Cette seconde étape a été franchie récemment. Le problème était de remplacer le contact métallique supérieur de la JTM, habituellement en aluminium et tantale, par un matériau transparent à la lumière laser. Les chercheurs ont retenu l’oxyde d’indium-étain, déjà utilisé dans les écrans LCD. Grâce à des procédés de dépôt et de gravure standard, ils ont réalisé des points-mémoire de 80 nm de diamètre. À terme, ils espèrent descendre à 30, voire 20 nm.
Les mémoires MRAM pourraient hériter ainsi de JTM plus petites, bien plus rapides en écriture et moins gourmandes en énergie grâce à la sobriété du laser. Seule la lecture des informations resterait électrique, au moins à court terme, pour permettre de lire chaque point mémoire individuellement. En effet, la longueur d’onde du laser (800 nm) ne permet pas de le focaliser sur des JTM aussi petites.
Contact : ricardo.sousa@cea.fr

Des résonateurs optomécaniques pour traquer les virus de toutes formes

Où s’arrêtera la technique de nanopesée de virus en spectromètre de masse du CEA-Leti et d’Irig ? Les chercheurs viennent d’étendre ses possibilités grâce à des nanorésonateurs optomécaniques extrêmement précis. Ils parviennent à détecter et peser unitairement des particules biologiques pesant de quelques mégadaltons au gigadalton. Et en particulier, des virus de forme allongée (rage, Ébola) et des fibres amyloïdes impliquées dans certaines maladies neurodégénératives. Ces « objets » non sphériques étaient presque impossible à analyser avec la précédente génération de résonateurs.
La technique est aussi performante quand les particules sont en très faible concentration. Aussi, le prochain objectif est de la démontrer sur des virus en aérosol. Ces travaux menés avec le CNRS ont été publiés dans Nature Communications.
Contact : sebastien.hentz@cea.fr

 

Octobre 2020

Des micro aiguilles pour traiter les cancers cutanés

Pour traiter sans ablation des cancers de la peau dus à une exposition excessive au soleil, une équipe CEA-Leti – Inserm* a développé un patch comportant plusieurs centaines de micro aiguilles en polymère. Appliqué sur la zone malade, il se dissout en moins d’une heure et délivre un principe actif qui sous excitation lumineuse, se transforme et détruit les cellules tumorales.
Les chercheurs ont défini la forme des aiguilles, leur espacement, leur procédé de fabrication collective sans agent chimique. Leur longueur est ajustable entre 400 à 750 microns, ce qui rend le geste indolore et permet d’atteindre des lésions profondes situées à l’interface épiderme/derme. Un brevet a été déposé et les essais cliniques vont débuter. Ce patch de microaiguilles pourrait être commercialisé d’ici 3 à 5 ans.
Contact : mathilde.champeau@cea.fr

Clinatec affine la méthode de localisation de l’activité cérébrale motrice

Comment implanter à l’endroit optimal du cerveau le dispositif médical WIMAGINE®, qui permet de mesurer l’activité cérébrale d’un patient tétraplégique pour piloter un exosquelette et retrouver un peu d’autonomie ? La question est centrale pour Clinatec, qui développe et améliore une méthode originale par magnétoencéphalographie (MEG) depuis 2014. Les chercheurs ont publié récemment dans la revue Sensors une étude sur 14 patients sains qui montre l’efficacité et la robustesse de cette méthode.
Les enjeux sont importants : modifier la position de l’implant d’1 cm suffit à rendre la détection des intentions de mouvement – donc la commande de l’exosquelette – optimale ou moins performante. Clinatec poursuit par ailleurs l’essai clinique « BCI et tétraplégie » avec l’inclusion il y a quelques mois d’un nouveau patient.
Contact : vincent.auboiroux@cea.fr

Tokamak japonais : Irig associé au démarrage

Comment lisser les charges pulsées d’une usine cryogénique de 9 kW à 4,5 K qui refroidit les aimants supraconducteurs d’un tokamak avec de très fortes variations de charge ? Cette question a mobilisé une équipe d’IRIG de 2010 à 2016, quand le CEA concevait l’usine cryogénique de JT-60SA, le tokamak japonais. L’heure est maintenant aux travaux pratiques : après l’assemblage, achevé au printemps, les essais de qualification sont en cours. Ils seront suivis de la mise en froid des aimants supraconducteurs.
Deux chercheurs grenoblois d’Irig participent à cette phase pendant plusieurs mois, sur place ou à distance. Si tout se passe bien, le tokamak japonais générera son premier plasma au printemps 2021. Quant aux avancées scientifiques de ce projet, elles sont déjà partiellement réutilisées pour ITER.
Contact : frederic.michel2@cea.frchristine.hoa@cea.fr

 

Juillet 2020

Des antennes miniaturisées et reconfigurables pour l’IoT

Miniaturiser les antennes pour l’IoT sans réduire leur efficacité, en les rendant reconfigurables en fréquence. C’est le tour de force d’une doctorante du CEA-Leti qui a également développé un modèle analytique aussi fiable que les outils de simulation existants.

Le CEA-Leti a réalisé une antenne dont la taille ne dépasse pas 1/15e de la longueur d’onde, contre ¼ habituellement. Elle préserve l’efficacité de rayonnement en ne couvrant instantanément que la bande du signal émis, soit environ 500 kHz.
Pour fonctionner sur le reste de la bande de l’application, elle est rendue reconfigurable en fréquence grâce à un pilotage numérique rapide de composants RF conçus au CEA-Leti et intégrés à même l’antenne.

Déjà des industriels intéressés
La doctorante qui a mené ses travaux a aussi constaté que les outils de simulation électromagnétique disponibles étaient mal adaptés pour comprendre l’impact des pertes ohmiques dans les antennes miniatures. Elle a donc développé un modèle analytique plus rapide pour étudier l’impédance et l’efficacité de rayonnement. Elle a pu ainsi multiplier les cas de tests et optimiser le dimensionnement des composants et leur disposition sur l’élément rayonnant.
Un brevet a été déposé et plusieurs industriels s’intéressent à cette miniaturisation d’antenne. Rana Berro, la doctorante, va consacrer sa dernière année de thèse à la réalisation et la validation de prototypes. En février, ses travaux lui ont valu un prix spécial lors de la conférence IWAT2020 à Bucarest.

Contact : serge.bories@cea.fr

Vaccin Covid-19 : le CEA-Leti et ses Lipidots® en première ligne

Le CEA-Leti et une équipe de l’IAB (Inserm / CNRS / UGA) lancent le développement d’un vaccin Covid-19. Leur stratégie : accrocher de l’ARN messager du SARS-CoV-2 sur des Lipidots®, ces microgouttelettes d’huile conçues au CEA-Leti. Elles ont la même taille que le virus et présentent une forte affinité avec les cellules dendritiques, qui déclenchent la réponse immunitaire. Très stables, elles devraient voyager jusqu’à leur destination sans se dégrader.
Cette stratégie basée sur l’ARN messager obtient déjà des résultats précliniques prometteurs dans d’autres groupes, par exemple chez Moderna Therapeutics (États-Unis). Reste à choisir le meilleur vecteur en terme d’efficacité et d’innocuité ; c’est peut-être là que les Lipidots® feront la différence. Le projet grenoblois LipiVAC COVID19 vise une validation préclinique d’ici un an.
Contact : fabrice.navarro@cea.fr

Interfaces haptiques : en route pour la fabrication collective

En faisant vibrer à quelques dizaines de kHz des actionneurs céramiques piézoélectriques placés sur un écran, il est aujourd’hui possible de simuler le contact tactile avec du sable, un tissu ou un bouton de commande de tableau de bord. Mais ces actionneurs doivent être collés manuellement, ce qui est cher. Le CEA-Leti y remédie avec une technique de fabrication collective 200 mm.
Les céramiques de 300 microns d’épaisseur sont remplacées par une couche mince de moins de 3 microns, pour une intégration fortement facilitée. Cette étape en prépare plusieurs autres : augmenter les performances des matériaux, déposer une couche piézoélectrique transparente, l’appliquer sur tout l’écran… Un démonstrateur de cette technologie est présenté au showroom de Y.Spot.
Contact : fabrice.casset@cea.fr

Électronique de puissance : un module GaN qui bat des records

Le CEA-Leti a développé pour ses nouveaux composants de puissance en nitrure de gallium (GaN) un packaging qui leur permet d’exprimer tout leur potentiel. Ce module à refroidissement double face se distingue par une inductance parasite extrêmement faible. Le risque de surtension est assez réduit pour autoriser des commutations à 350 V et 10 A, à une vitesse de commutation de 15 ns. Les chercheurs pensent atteindre des performances encore meilleures lors d’une prochaine campagne d’essais.
Le module a été fabriqué avec CEA Tech Toulouse et la société Aspi3D, qui a apporté deux briques technologiques. Son architecture peut être optimisée et adaptée à des composants beaucoup plus puissants. En ligne de mire : les onduleurs de véhicules électriques, qui requièrent des puissances de 100 à 150 kW.
Contacts : pierre.perichon@cea.frchristine.laurant@cea.fr

 

Avril 2020

Le problème quantique à N corps résolu jusqu’à l’ordre 15

C’est un résultat important pour la physique théorique : une équipe Irig – Institut Néel – Flat Iron Institute (États-Unis) a conçu un algorithme qui résout le « problème quantique à N corps » jusqu’à des processus d’ordre 15.
Le problème quantique à N corps décrit à l’échelle atomique des phénomènes que les approches standard (en « champ moyen ») n’arrivent pas à modéliser. Par exemple, le fait que les cuprates, des matériaux conducteurs électriques, deviennent supraconducteurs à des températures pouvant atteindre 160 K. Mais sa résolution bute sur le nombre d’opérations à réaliser. À l’ordre 3, il faut calculer les influences mutuelles entre 3 corps, à l’ordre 4, entre 4 corps, etc. À l’ordre 15, l’ordinateur doit effectuer pas moins de 1000 milliards d’opérations !

Un algorithme qui permet de passer de l’ordre 7 à l’ordre 15
Cette difficulté limitait jusqu’ici les calculs à l’ordre 7 environ. L’algorithme développé par l’équipe Irig allège radicalement la tâche de l’ordinateur : seulement 32 768 opérations à l’ordre 15 ! Il a été validé en apportant la première solution numérique exacte du problème Kondo hors équilibre, un comportement particulier de certains conducteurs électriques à basse température.
Les chercheurs continuent à étudier leur algorithme pour en évaluer les possibilités. Ils ont déjà identifié des pistes prometteuses en informatique quantique : le problème quantique à N corps permet de décrire avec précision la physique d’un ensemble de bits quantiques réels, au-delà des formes simplifiées à l’extrême utilisées par les mathématiciens.

Contact : xavier.waintal@cea.fr

Une jonction tunnel magnétique qui bat des records de vitesse

Une équipe Irig a développé une jonction tunnel magnétique (JTM) ultra-rapide, utilisable par exemple pour stocker des événements générés par des rafales stroboscopiques. Cette JTM compte une couche terbium-cobalt dont l’aimantation se retourne sous l’effet d’un laser femtoseconde ; l’autre couche magnétique est constituée d’un matériau à direction d’aimantation stable. L’alignement ou l’opposition des deux aimantations fait varier un courant électrique mesuré en sortie.
Le laser, un million de fois plus rapide qu’une impulsion électrique, a l’avantage de consommer beaucoup moins d’énergie. Ces résultats ont été obtenus dans le cadre d’un projet européen qui s’achève en 2020. Objectif  final : réaliser un démonstrateur de ce dispositif spintronique à écriture optique et lecture électrique.
Contact : ricardo.sousa@cea.fr

 

Février 2020

Des skyrmions dix fois plus rapides qu’Usain Bolt

Une équipe Spintec – Institut Néel – CNRS est parvenue à déplacer des skyrmions dans une tricouche platine/cobalt/oxyde de magnésium à la vitesse record de 100 mètres/seconde. Ceci avec des densités de courant minimes et à température ambiante ! L’épaisseur des couches (quelques nanomètres), synonyme de très faible consommation d’énergie est la clé de ce résultat. Les skyrmions, ces quasi-particules nanométriques, confirment à cette occasion leur potentiel comme futurs bits dans des mémoires ou pour des opérations de logique.
Le comportement des skyrmions a été modélisé, avec une bonne correspondance entre théorie et observations. Grâce à ces avancées, un nouveau projet visant cette fois à atteindre des déplacements à 1 km/s a été lancé. Il est porté par Spintec et rassemble six équipes françaises et allemandes.
Contact : olivier.boulle@cea.fr

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