En microélectronique, si la mécanique quantique permet d’expliquer les propriétés des matériaux (conducteur, isolant...) l’électrodynamique des circuits reste classique. En revanche, lorsque la taille des dispositifs électroniques devient comparable à celle des atomes, ou que l’on explore les propriétés de systèmes à très basse température, une nouvelle situation apparaît : la cohérence quantique électronique s’étend à l’échelle du dispositif entier et peut influencer son comportement collectif. Les concepts macroscopiques de courant, tension, résistance ou capacitance doivent alors être redéfinis.

Les recherches développées par 3 équipes du SPEC (NanoElectronique, Quantronique et Groupe Modélisation et Théorie) portent principalement sur l'étude des :

• qubits supraconducteurs
• circuits hybrides spins-qubits supraconducteurs
• détection ultime de spins
• qubits volants dans des conducteurs quantiques balistiques (Optique quantique électronique)
• amplificateurs paramétriques Josephson à la limite quantique
• l'électrodynamique quantique des circuits
• transport quantique (courant, bruit) à haute-fréquence
• la structure électronique et la modélisation atomistique.

L'électronique organique et moléculaire vise à développer un traitement de l'information basé sur différents types de nano-objets (molécules, bio-molécules, nanoparticules, nanotubes de carbone, graphène...).

Elle suppose de développer :

• La synthèse de nouvelles molécules et de nouveaux nano-objets
• Des méthodes de fonctionalisation chimique de nano-objets (graphène, nanoparticles, nanotubes, C60) pour la formation de matériaux hybrides aux propriétés nouvelles ou améliorées
• Des méthodes d'assemblage des nano-objets sur surface
• Des techniques de nano-fabrication permettant de connecter des nano-objets individuels
• Les mesures de caractérisation associées
• Des stratégies d'exploitation des propriétés pour la réalisation de nouvelles fonctions
• Des efforts théoriques pour modéliser les dispositifs étudiés et proposer de nouvelles structures aux propriétés originales.

 Ce thème de recherche du SPEC porte sur l’élaboration et l’étude de :

• matériaux oxydes magnétiques ou multiferroïques* (ferroélectricité associée au magnétisme)
• la dynamique de l’aimantation dans les nanostructures hybrides et son couplage aux courants de spin (spintronique)
• le développement de capteurs de champ magnétique ultra-sensible
• et la modélisation associée.

Ces études utilisent de nombreuses techniques maitrisées au SPEC :

• croissance de film minces (oxydes en particulier),
• mesures de transport et magnétiques,
• diffusion de neutrons (polarisés),...

L'objectif des recherches en nanophotonique est de maîtriser les interactions lumière / matière aux échelles inférieures à celle de la longueur d'onde (la longueur d'onde de la lumière visible est comprise  entre 400 et 700 nm). La photonique comprend l’ensemble les sciences et technologies impliquées dans la production de photons, leur propagation et leur absorption par la matière.

Les propriétés photoniques de la matière condensée dépendent autant des propriétés intrinsèques de ses constituants (molécules, réseau cristallin,…), que de leur organisation aux échelles nanométriques.

Le laboratoire de nanophotonique du SPEC (Équipe SPEC/LEPO) se concentre sur la plasmonique moléculaire, c'est à dire les différents mécanismes d'interaction photonique entre des molécules conjuguées et des nanostructures métalliques. La conception et le développement de nano-objets hybrides offrant des fonctions photoniques innovantes sont recherchés en combinant les aspects suivants de la nanophotonique :

•     plasmonique
•     nanophotonique non-linéaire
•     objets photoniques auto-assemblés

Plusieurs équipes de l'IRAMIS sont impliqués dans les calculs de structure électronique (ab-initio, liaisons-fortes, Hückel etc..) et plus généralement dans la modélisation de la matière à l'échelle atomique, ce qui inclut également l'utilisation de méthodes plus phénoménologiques (potentiels empiriques, Hamiltoniens modèles, etc..)

Ces outils de modélisation sont principalement développés et utilisés en physique (spectroscopie, transport, magnétisme), chimie (réactivité, dynamique) et pour l'étude des matériaux (diffusion, croissance, défauts).

L'équipe de "Spectroscopie théorique" implantée au LSI - Laboratoire des Solides Irradiés (Contact Lucia Reining) fait partie du coeur de la structure de l'ETSF  (European Theoretical Spectroscopy Facility).

La thématique "Structure électronique et modélisation atomistique" au sein du SPEC/GMT (contact : Cyrille Barreteau) rassemble 4 axes de recherche :

• Structure et dynamique
• Chimie quantique
• Spectroscopie
• Transport , magnétisme et corrélations

Les surfaces d'un solide forment un lieu particulier, où les atomes de l'ultime couche atomique ont perdu la moitié de leurs voisins, comparé à un atome placé dans le volume. Il s'en suit des propriétés électronqiues très spécifiques. La surface des matériaux est aussi le lieu de la croissance critalline ou du dépôt de couches minces, dont l'organisation peut apporter des propriétés très spécifiques. La fonctionnalisaiton de surface permet de développer

C'est aussi le lieu de l'interaction de l'objet avec le milieu extérieur : lumière, atomes et molécules de l'atmosphère ambiante, vide...

Plusieurs équipes du SPEC (LENSIS, LEPO, LNO et GMT) étudient, expérimentalement et par des méthodes de simulation atomistique, et utilisent les propriétés de surface pour conduire leurs recherches.