Abstract Clascidia Furtado: The possibility of manipulating matter and controlling processes at the nanoscale, which overlaps the scale of biological structures and processes, has brought unprecedented advances in nanobiotechnologies. An example is the construction of multifunctional nanoplatforms, with special attention to those based on carbon nanostructures (nanotubes and graphenes) containing biomolecules (proteins, peptides, nucleic acids) or drugs anchored on their surface. They can outperform conventional molecular compounds due to their high reactivity and ability to undergo multiple functionalizations, generating technological solutions with high sensitivity, specificity and selectivity. In this talk, we will describe our group's efforts to 1) carefully obtain nanocarbon-protein/aptamer platforms for vaccine formulations and biosensors with response and diagnostic potential for cancer; and 2) understand nanomaterial-biomolecule interactions.

Abstract Aldo Zarbin: This talk will demonstrate the huge potentiality coming from the interface between immiscible liquids to synthesize, stabilize and process complex materials as transparent and conductive thin films to be applied in different technological systems and devices. Examples of multicomponent materials combining carbon nanostructures (nanotubes, graphene), 2D materials, Prussian blue analogues, metal nanoparticles and conducting polymers will be presented, highlighting unique preparative routes, characterization techniques, study of properties and the structure/properties relationship, thin film deposition over several solid substrates and application in transparent aqueous metal-ion batteries; flexible supercapacitors; electrochromic devices; solar cells; as transparent electrodes and as catalysts.

Vitrimers are now commonly considered as the third class of polymer materials alongside thermoplastics and thermosets. At service temperature, vitrimers behave like traditional thermosets, with good mechanical characteristics but can be recycled, reshaped at high temperature similarly to glass. This discovery opens new green perspectives such as crack repairing, correction of moulding defects and depolymerisation/recycling using soft conditions. Nonetheless, the transfer from academia toward industry is not straigthforward and require extensive collaborative efforts from scientists and engineers in chemistry, materials science and engineering.

Confinement and photocatalysis in geo-inspired nanotubes
Erwan Paineau* and Pascale Launois

Université Paris-Saclay, CNRS, Laboratoire de Physique des Solides, 91405 Orsay, France

*erwan-nicolas.paineau@universite-paris-saclay.fr
Hollow cylinders with a diameter in the nanometer range are carving out prime positions in nanosciences. Thanks to their physico-chemical properties, they could be key elements for next-generation nanofluidics devices, for selective molecular sieving, energy conversion or as catalytic nanoreactors. Some challenges such as diameter and interface control are solved for imogolite nanotubes (INTs). Belonging to clay minerals, imogolite exists in its natural state but is widely dispersed in environment, limiting its applications. The major breakthrough for using INTs was certainly their synthesis by sol-gel methods under mild conditions.
We will first focus here on the recent developments of INT synthesis, particularly in terms of morphological control and surface functionalization [1]. We will show that it is now possible designing innovative geo-inspired INTs with modular interfaces in a predictive way [2], which has recently led to some progress in the field of imogolite-based functional materials [3]. We will also prove that this system is ideal to investigate the structure and dynamics of water in interaction with the nanotube walls [4,5]. Finally, we will demonstrate that these nanotubes could be considered as potential photoactive nanoreactors, thanks to a unique polarization effect of their walls.

References
[1] M.S. Amara et al., Chem. Mater. (2015) 27, 1488; Paineau et al., J. Coll. Inter. Sci. (2020), 580, 275
[2] G. Monet et al., Nat. Commun. (2018), 9, 2033
[3] W.J. Lee et al., ACS Nano (2020), 14, 5570
[4] G. Monet et al., Nanoscale Adv. (2020), 2, 1869
[5] G. Martin-Gassin et al., J. Phys. Chem. Letters (2022), 13, 6883

In this seminar, I will present our recent discovery of graphene's electroluminescence in the middle infrared.

Electroluminescence is the phenomenon by which a material emits light in response to the passage of an electrical current. In solids, it is the prerogative of semiconductors and related organic materials, and it results from the radiative recombination of electrons and holes.

We study high mobility graphene field effect transistors at room temperature and ambient conditions. These transistors are made of a monolayer graphene flake encapsulated in a hexagonal Boron nitride insulator. When submitted to a large bias, we observe the appearance of a sharp emission peak at a photon energy of 190meV in the far field e.m. radiation of the transistor. Using a series of test experiments, we demonstrate the electroluminescent nature of this emission.

The semi-metallic nature of graphene a priori forbids electroluminescence: Indeed, in semiconductors, the bandgap energetically insulates the electrons from the holes. Such protection doesn’t exist in graphene which is gapless. Nonetheless, electroluminescence is possible, because (i) of the remarkable inefficiency of the non-radiative carrier relaxation in graphene, and (ii) thanks to an original carrier injection mechanism specific to 2D semimetals: the Zener-Klein (ZK) tunnel conductance.
Using electronic noise thermometry experiments, we observe that the electroluminescence of graphene is signaled by a strong cooling of the electron gas at large bias; an effect well known in regular electroluminescent devices near the electroluminescent threshold. I will discuss the microscopic mechanisms at stake and show that the properties of hexagonal Boron nitride plays a key role in this radiative heat exchange, and this can be used to tune the cooling efficiency.

Quantum is booming, and established quantum platforms (superconducting circuits, trapped ions, Ry atom arrays and photons) are now moving to the realm of industry (IBM, IONQ, PasQal, and PsiQuantum). A key enabler to some of these approaches is a pristine spin-photon interface that allows entangling long-lived matter-based qubits with routable flying qubits in the form of photons. This talk will introduce you to the key concepts and challenges behind quantum computing and contextualize the sustained research efforts to develop the performance of candidate systems such as trapped ions, atomic impurities in solids and quantum dot spins. The talk will then focus on a specific platform: Optically active semiconductor quantum dots (QDs)--which have unparalleled photonic properties, but also modest spin coherence limited by their resident nuclei--and our most recent work on this platform [1]. In a nutshell, we demonstrated that a new generation of lattice-matched QD devices, with vanishing strain, allows dramatic prolongation of the electron spin coherence over conventional QD counterparts. The near two orders of magnitude improvement of electron spin coherence under dynamical decoupling, also attests of a coherence improvement of the electron-nuclear interface as a whole. We envisage this to enable the storage of quantum information in the nuclear spins, a vital resource towards memory-assisted quantum network protocol.

[1] Leon Zaporski et al., Ideal refocusing of an optically active spin qubit under strong hyperfine interactions, arXiv 2206.01223.

From soils to soft biological tissues, there are many examples of materials that can be modelled as highly deformable porous media, characterised by a strong coupling between mechanical stimulation and fluid flow due to complex rearrangements of the pore space. In both contexts – subsurface geomechanics and living-tissue biomechanics or tissue engineering – the effects of large periodic deformations on solute transport and mixing can be of great interest for predicting and/or controlling the motion of contaminants or nutrients. Here, we propose a 1D continuum model based on large-deformation poroelasticiy that links an applied periodic deformation to the resulting solute transport and mixing. Transport occurs through advection, molecular diffusion, and hydrodynamic dispersion, all of which are affected by the deformation in specific ways. We explore the effects of several dimensionless parameters on the problem, focusing on the ones regulating the applied periodic load. We find that the amplitude and period of deformation influence the mechanical response of the material, which can belong to either a linear slow-loading or a nonlinear fast-loading regime. These mechanical regimes directly characterise the resultant movements of solute.

La compréhension des phénomènes physiques et le développement technologique de composants et systèmes aux nano-échelles requièrent des outils de mesure résolus à ces échelles. Un moyen est d’utiliser des capteurs de très faibles volumes. Parmi ceux-ci, les capteurs s’appuyant sur les spins électroniques individuels associés au centre azote-lacune (ou centre NV pour Nitrogen-Vacancy en anglais) dans le diamant sont devenus une technique d’intérêt fort. Ces capteurs, de volume atomique, sont en effet extrêmement sensibles à plusieurs grandeurs physiques dans leur environnement. Ces grandeurs peuvent sonder en mesurant le spectre de résonance magnétique du spin électronique par des moyens optiques. Ces capteurs sont aujourd’hui employés pour cartographier des champs magnétiques statiques avec une sensibilité en deçà du µT/√Hz et une résolution spatiale de l'ordre de 50 nm en conditions ambiantes.

Ce spin est aussi sensible à d’autres grandeurs physiques, notamment le bruit magnétique, la température et le champ électrique. Ce travail de thèse a porté sur l’extension des modalités d’imagerie des capteurs à centre NV, pour en faire un imageur polyvalent. La configuration d’imagerie est une configuration à balayage dans laquelle le centre NV est isolé au sein d’une pointe en diamant montée dans un microscope à force atomique. J'ai tout d’abord considéré une pointe hébergeant un ensemble de centres NV et optimisée pour la cartographie de la température dans le but de déterminer ses performances ultimes en termes de sensibilité et de résolution spatiale. J'ai ensuite étudié l'effet du champ électrique sur les propriétés de spin du centre NV, et présenté les conditions expérimentales requises pour réaliser une cartographie du champ électrique. Enfin, j'ai proposé un nouveau protocole tout-optique pour cartographier qualitativement le bruit magnétique, bruit qui affecte la dynamique de relaxation entre les niveaux de spin et par là même le niveau de photoluminescence du centre NV. Ce protocole a été validé en imageant des parois de domaines dans un matériau antiferromagnétique synthétique.

Ce microscope à balayage polyvalent pourra permettre l’étude, sur un dispositif unique, des propriétés magnétiques (champ et/ou bruit magnétique), électriques ou encore thermiques d'un matériau d'intérêt et par là même de sonder le couplage entre ces différents paramètres physiques.

La recherche sur les matériaux de van der Waals est un sujet important en physique de la matière condensée. Depuis les premières exfoliations du graphene en 2004, la famille des matériaux de van der Waals s’est agrandie de manière extrêmement rapide, couvrant une large gamme de propriétés physiques différentes, des matériaux isolants au semi-metaux, en passant par les semi-conducteurs. Ces matériaux hébergent de plus des phénomènes tels que la supraconductivité, ou encore le fort couplage spin-vallée dans les dichalcogénures de métaux de transition. En parallèle, un second domaine s’est aussi développé de manière rapide : les hétérostructures de van der Waals. Il consiste à empiler des matériaux bi-dimensionnels, couche par couche, dans un ordre bien précis. Ces structures offrent la possibilité de combiner les propriétés de plusieurs matériaux différents, en un seul matériau artificiel, en plus de permettre l’apparition d’effets de proximité aux interfaces des différentes couches. Une perspective prometteuse serait d’amener la spintronique vers les matériaux de van der Waals, profitant ainsi de leur grande diversité, de leur épaisseur atomique, ainsi que de leur robustesse mécanique.


Un chainon restait cependant manquant dans cette grande famille des matériaux de van der Waals : les matériaux bi-dimensionnels magnétiques. Obtenir un ordre magnétique à deux dimensions ouvrirait la voie à de nombreuses opportunités, que ce soit au niveau fondamental avec l’étude de transitions de phase à deux dimensions ou pour de nouveaux dispositifs spintroniques. Ce n’est que très récemment, en 2017, qu’un ordre magnétique a été observé dans une mono-couche de CrI3 ainsi que dans une bi-couche de Cr2Ge2Te6. S’en est suivi un considérable effort de recherche international, permettant d’ajouter rapidement de nombreux nouveaux membres à la famille des matériaux de van der Waals magnétiques.


L’émergence de ces aimants bi-dimensionnels s’est aussi accompagnée de nouvelles problématiques. Tout d’abord instrumentale, car la mesure quantitative des propriétés magnétiques de ces matériaux est une entreprise complexe, de par leur taille réduite. Elle requiert l’utilisation de techniques de magnétométrie non-invasive, ayant une grande sensibilité et une résolution spatiale nanométrique. Une seconde problématique, cette fois au niveau matériau, est que du fait de leur nature lamellaire, la température de Curie TC de ces aimants de van der Waals est faible. La quasi- totalité des ces matériaux bi-dimensionnels magnétiques arborent une température de Curie bien inférieure à la température ambiante, ce qui limite le développement de nouvelles applications.


C’est dans ce contexte que j’ai effectué mon travail de thèse, sur l’étude de matériaux de van der Waals magnétiques à température ambiante, à l’échelle du nanomètre. Ce travail de thèse s’articule autour de deux axes, avec tout d’abord l’utilisation du centre azote-lacune (ou NV, pour Nitrogen Vacancy) du diamant comme capteur quantique de taille atomique. J’ai utilisé un microscope NV à balayage pour mesurer l’aimantation de flocons fins exfoliés de CrTe2, un aimant de van der Waals ferromagnétique à température ambiante dans sa forme de cristal massif. J’ai aussi étudié les effets de l’encapsulation par hBN sur leurs propriétés magnétiques.


La seconde partie se porte sur l’étude in-situ d’hétérostructures de van der Waals par un capteur quantique hébergé dans un matériau bi-dimensionnel. Le centre VB- présente des propriétés magnéto-optiques similaires au centre NV du diamant et est présent dans le hBN. J’ai développé un nouveau microscope magnétique basé sur ce défaut et j’ai montré une preuve de principe sur l’imagerie magnétique de flocons exfoliés de CrTe2.

Our understanding of the mechanism by which the viscosity of supercooled liquids increases by many orders of magnitude is often described as a major challenge in condensed matter physics [1,2]. It is therefore necessary to discriminate between seemingly incompatible theoretical approaches which provide equally good descriptions of experimental data: a scientific revolution [3]. Much of the perceived incompatibility revolves around whether the glass transition is driven by underlying thermodynamics or is predominantly a dynamical phenomenon. Here we report new results with experiments and simulations which explore previously inaccessible dynamical regimes at the single-particle level [4,5], where we test explicitly the predictions of each approach. We find that the predictions of both thermodynamic and dynamical approaches are upheld and suggest routes out of the scientific revolution of the glass transition.
While the glass transition hard spheres may be somewhat understood, addition of a short-ranged attraction (sticky spheres) results in far-from-equilibrium behavior: aging leads to a change in mechanical properties over time. Remarkably, these “stronger” gels can then undergo spontaneous catastrophic failure with tremendous consequences for the many materials that rely on gelation [6]. We show how this dramatic and counter-intuitive phenomenon may be predicted in a newly-developed experimental system where forces between particles may be resolved [7].

[1] Royall, C. P. & Williams, S. R. “The role of local structure in dynamical arrest”, Phys. Rep. 560 1-75 (2015).
[2] Royall, C. P., Turci, F., Tatsumi, S., Russo, J. & Robinson, J. “The race to the bottom: approaching the ideal glass?”, J. Phys.: Condens. Matter 30 363001 (2018).
[3] Kuhn, T. S. The Structure of Scientific Revolutions Univ. Chicago Press, 1962.
[4] Hallett, J. E., Turci, F and Royall, C. P. “Local structure in deeply supercooled liquids exhibits growing lengthscales and dynamical correlations”, Nature Commun. 9 3272 (2018).
[5] Ortlieb L, Ingebrigtsen TS, Hallett JE, Turci F and Royall CP “Relaxation in supercooled liquids: Cooperatively Re–arranging Regions vs Excitations”, ArXiV 2103.08060 (2021).
[6] Royall CP, Faers MA, Fussell SL and Hallett JE, “Real Space Analysis of Colloidal Gels: Triumphs, Challenges and Future Directions”, J. Phys.: Condens. Matter, 33 453002 (2021).
[7] Dong J, Turci F, Jack RL, Faers MA and Royall CP, “Direct Imaging of Contacts and Forces in Colloidal Gels” J. Chem. Phys. 156 214907 (2022).