Mini-cycle séminaires Developpement Durable – 2025

Presentation en Français

Résumé :

Dans ce séminaire, je partagerai un retour d'expérience de l'IPSL en matière de transition environnementale, ou comment mobiliser un collectif pour passer du constat et de l'intention, à l'action, afin de réduire son empreinte environnementale, en cohérence notamment avec la stratégie nationale bas carbone de la France visant à la neutralité carbone en 2050. 

Après une introduction sur les spécificités de l'IPSL, et un focus sur le laboratoire qui a été précurseur dans cette dynamique, je présenterai l'empreinte carbone de notre institut, ses principaux postes d'émissions ainsi que les réflexions soulevées. Ce diagnostic posé, j'évoquerai notre cheminement : l'organisation mise en place et nos différents champs et modes d'action, de la sensibilisation à la mise en œuvre de mesures de réduction en passant par des étapes de réflexion collective puis de votes. Le tout jalonné de succès mais aussi de difficultés et de limites bien sûr, dans des contextes qui évoluent. En distinguant ce qui relève du laboratoire ou de l'institut, je mettrai l'accent sur ce qui peut être utile pour un laboratoire souhaitant passer le pas de l'intention à l'action.

Stephanie BONIFACE est ingénieure de formation. Après 18 ans dans l'aéronautique, un congé formation lui a permis de faire un Master 'Développement Durable et Organisations' à Dauphine. Elle a ainsi pu bifurquer et rejoindre l'IPSL(*) en CDD en novembre 2021, en tant que chargée de mission Empreinte carbone, pour calculer l'empreinte carbone de l'IPSL et conduire la communauté dans une trajectoire de réduction de cette empreinte.

(*) Institut Pierre-Simon Laplace, fédération de laboratoires de recherche sur le climat et l'environnement en Ile de France.

La science-fiction explore le champ des possibles grâce à des expériences de pensée. Par jeu, demandons-nous avec elle ce que serait devenu l'humanité sur une Terre différente, plus massive par exemple, ou avec des anneaux. Aurions-nous découvert aussi rapidement les lois de la mécanique céleste si la Terre était en orbite autour d'une d'étoile binaire ? Quel impact aurait eu un ciel différent de celui que nous observons quotidiennement ? Finalement, peut-on imaginer quelle serait notre représentation du monde si la Terre était différente ? C'est certainement dans cette capacité à interroger le réel par la pensée, en se posant la languissante question « Et si… ? », que se trouve le lien secret qui unit science et science-fiction.

Roland Lehoucq est astrophysicien au CEA de Saclay. Il est aussi enseignant (Université Paris Cité, ENS Paris-Saclay et Science Po Rennes) et auteur de nombreux ouvrages faisant dialoguer sciences et science-fiction. Depuis 2012, il est président des Utopiales, le festival international de science-fiction de Nantes.

Ce projet bénéficie du soutien du projet CHIPS of Europe

Abstract

I will begin by introducing the research activities in the Rice Center for Quantum Materials (RCQM) and outlining potential opportunities for collaboration between RCQM and Université Paris-Saclay. I will then focus on the work conducted in my research group at Rice, where we study topological materials with real- and reciprocal-space topology, new topological fermions, and unconventional superconductivity. Among our various research directions, I will highlight in particular our recent work on intercalated transition metal dichalcogenides (TMDs).

About the speaker

Emilia Morosan received her undergraduate research I Romania at University Al. I. Cuza. She moved to US for her doctoral studies in Physics at ISU and Ames Lab, and traveled east for a postdoc in Chemistry at Princeton University. In 2007, she joined Rice University, and she is currently the director of the Rice Center for Quantum Materials (RCQM) and the William M. Rice Trustee Professor of Physics and Astronomy, with joint appointments in Chemistry, and Electrical and Computer Engineering.

Prof. Morosan is a condensed matter experimentalist whose research straddles the boundaries between physics, chemistry and materials science. Her primary research interests are the design and synthesis of novel materials, crystal growth, and studies of topological correlated electron systems, unconventional superconductivity, local and itinerant moment magnetism, heavy fermions systems, quantum criticality. Prof Morosan and her group are using different crystal growth techniques to design, discover and grow single crystals of novel materials, often predicted theoretically to show non-trivial topological states from Weyl semimetals to Krames-Weyl fermions and multidegenerate fermions, unconventional superconductors.

Prof. Morosan has received various awards and honors, including the DOD Vannevar Bush Faculty Fellowship, Humboldt Fellowship for Advanced Researchers, Gordon and Betty Moore Foundation EPiQS synthesis investigator, Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers (PECASE), NSF CAREER award. She is a fellow of the American Physical Society, and American Chemical Society, and has served as a APS DMP member at large.

L'impact environnemental des technologies numériques n'est plus soutenable. Ressources en eau et en minéraux, réchauffement climatique, acidification des océans et des terres, recyclage des déchets électroniques, la liste des défis posés par l'appétit de nos sociétés pour le numérique est vertigineuse. Le CEA-Leti, acteur majeur de la R&D en micro-nanoélectronique, s'est engagé depuis cinq ans dans un ambitieux programme d'éco-innovation. En finançant des stages et des thèses, en participant à des projets ANR ou européens, ou en collaborant avec l'industrie, les chercheurs du CEA-Leti se sont aventurés dans de nouveaux domaines de recherche. Dans ce séminaire, j'illustrerai notre démarche à travers des exemples tels que l'analyse du cycle de vie des transistors à base de GaN et d'InP pour des applications de puissance ou RF, l'éco-conception des antennes 5G, le développement de procédés de patterning plus responsables impliquant des photorésines, des gaz de gravure plasma ou des solutions aqueuses de stripping, ou encore les actions menées pour minimiser les consommations et les émissions de nos salles blanches. Enfin, je présenterai les futurs projets qui amplifieront cette démarche.

François BOULARD (Dr. HDR) est un expert dans le domaine de la gravure plasma et de l'éco-innovation des procédés de structuration. Fort d'une solide expérience au CEA-Leti, il développe des technologies de pointe répondant aux enjeux environnementaux et industriels actuels. Docteur de l'Université de Nantes en 2009, il a débuté sa carrière au CEA-Leti dans le domaine de la détection infrarouge au sein de l'entreprise industrielle Lynred. Cette expérience lui a permis d'acquérir une expertise complémentaire qui enrichit ses recherches actuelles. Depuis 2023, F. Boulard est directeur scientifique du département patterning du CEA-Leti et dirige l'activité d'ingénierie de gravure plasma sur substrats 300mm. Ses recherches actuelles portent sur le développement de procédés de gravure pour les technologies FDSOI à faible énergie, l'évaluation de l'impact de ces procédés sur l'environnement et l'introduction de nouveaux gaz à faible potentiel de réchauffement planétaire.

Magneto-optical (MO) effects are essential for the development of nonreciprocal optical devices,
such as isolators and circulators. However, the inherently weak MO response of transparent magnetic
materials at optical frequencies limits the miniaturization of MO-based devices. Enhancing light–matter
interactions in MO materials is therefore crucial for developing compact and high-performance nonre-
ciprocal photonic components.
Various approaches have been investigated to enhance MO effects, including Faraday rotation (θF ).
Early studies utilized optical cavity modes supported in one-dimensional photonic crystals to enhance
θF [1]. However, the bulky multilayered structure has limited their practical integration. Another ap-
proach employed plasmon resonances to improve θF , but suffers from√low light transmission (T ) due to
metallic absorption [2], resulting in a low Figure of Merit (FoM = θF T ) . More recently, all-dielectric
metasurfaces have emerged as a promising solution without the penalty of absorption losses [3], harness-
ing the electromagnetically induced transparency (EIT) effects to achieve near-unity T [4]. However, the
resulting θF is rather small even with extremely ideal MO parameter. Simultaneously achieving high θF
and high T remains a significant challenge in the design of ultrathin metasurface-based Faraday rotators.
In this presentation, we present designs for all-dielectric MO metasurfaces that achieves both high
Faraday rotation (θF ) and high transmittance (T ) using realistic MO parameters, exemplified by YIG-
based structures. Our approach employs quasi-bound states in the continuum (Q-BIC) resonant modes
with engineerable high quality (Q) factors to enhance θF , while constructive interference between spec-
trally overlapped TE- and TM-like Q-BIC modes under EIT conditions ensures high T , resulting in a
significantly improved figure of merit (FoM). To address fabrication challenges, we further developed
a hybrid platform by integrating a silicon-based metasurface onto a YIG film [5], thereby maintaining
similarly high MO performance. These advancements represent a key step toward the realization of
practical, ultrathin Faraday rotators and isolators. Further results on the design, optimization [6], and
fabrication [7] of MO metasurfaces will be discussed in the presentation.
References
1. M. Inoue, R. Fujikawa, A. Baryshev, A. Khanikaev, P. Lim, H. Uchida, O. Aktsipetrov, A. Fedyanin,
T. Murzina, and A. Granovsky, “Magnetophotonic crystals,” J. Phys. D: Appl. Phys. 39, R151 (2006).
2. I. S. Maksymov, “Magneto-plasmonic nanoantennas: Basics and applications,” Rev. Phys. 1, 36–51 (2016).
3. S. Jahani and Z. Jacob, “All-dielectric metamaterials,” Nat. nanotechnology 11, 23–36 (2016).
4. A. Christofi, Y. Kawaguchi, A. Alù, and A. B. Khanikaev, “Giant enhancement of faraday rotation due to
electromagnetically induced transparency in all-dielectric magneto-optical metasurfaces,” Opt. letters 43,
1838–1841 (2018).
5. S. Gao, Y. Ota, T. Liu, F. Tian, and S. Iwamoto, “Faraday rotator based on a silicon photonic crystal slab
on a bismuth-substituted yttrium iron garnet thin film,” Appl. Phys. Express 16, 072003 (2023).
6. S. Gao, Y. Ota, F. Tian, T. Liu, and S. Iwamoto, “Optimizing the optical and magneto-optical response of
all-dielectric metasurfaces with tilted side walls,” Opt. Express 31, 13672–13682 (2023).
7. K. Taniguchi, T. Kitai, T. Yambe, S. Gao, S. Iwamoto, and Y. Ota, “Fabrication of photonic crystal nanocav-
ities based on monocrystalline yttrium iron garnet,” 2024 Conf. on Lasers Electro-Optics Pac. Rim (CLEO-
PR) p. P2 043 (2024).

Abstract

Alors que les volumes de production de plastiques ne cessent de croître (460 Mt en 2019, double tous les 20 ans), les fuites vers l'environnement suivent la même tendance. Des particules (microplastiques et nanoplastiques) et des substances chimiques sont émises par les plastiques dès leur production et même dès l'extraction des ressources fossiles qui sont à la base de leur fabrication. Les plastiques polluent bien avant de devenir un déchet et sont une menace pour tous les écosystèmes et pour la santé humaine. Les menaces de la pollution plastique pour les écosystèmes marins sont connus depuis une cinquantaine d'années, alors que les recherches sur l'ampleur et les impacts de cette pollution dans les sols sont plus récentes. En raison des milliers de produits chimiques toxiques qu’ils contiennent, les plastiques ont des effets délétères avérés sur le fonctionnement des écosystèmes et sur tous les organismes vivants, y compris sur les humains.
Depuis 2022, un traité international juridiquement contraignant visant à mettre fin à la pollution plastique est en cours de négociations aux Nations Unies. Pour qu’il soit basé sur des faits scientifiques établis sans conflits d’intérêt, les scientifiques pluridisciplinaires travaillant sur la pollution plastiques dans tous les milieux se sont coordonnés dans une Coalition Internationale de Scientifiques, à l’interface entre science et politique. Leurs objectifs sont de partager les connaissances scientifiques, de sensibiliser et alerter les décideurs politiques et le grand public, pour appuyer les États membres qui soutiennent un traité ambitieux et pour contrer les fausses informations.

L'oratrice

Marie-France Dignac est directrice de recherche INRAE. Ses recherches à  l'Institut d’Écologie et des Sciences de l'Environnement de Paris concernent le fonctionnement biogéochimique et écologique des sols agricoles, et les impacts des stress anthropiques, comme le changement climatique et les pollutions. Depuis quelques années, ses recherches s'orientent vers les impacts multiples de la pollution plastique des sols agricoles et les conséquences pour les organismes vivants dans les sols et pour l'agriculture. Elle est membre du comité stratégique de la Coalition internationale des scientifiques pour un Traité sur les plastiques efficace et du comité scientifique du GDR Plastiques, environnement, santé.

The realization of large-scale quantum networks, where distant spin qubits are connected via single photons, offers interesting opportunities for both quantum science and technology. In recent years color centers in various solids emerged as promising candidates for this, providing coherent spin states together with optically active transitions. In this talk, I will give a brief overview of how we can use these centers as spin-photon interfaces. I will discuss recent work investigating the optical properties of the tin-vacancy center in diamond and its integration with nanophotonic structures fabricated in bulk diamond. Finally, I will motivate the interest in developing spin-photon interfaces using silicon as a host material.

The lecture discusses the thermodynamics and the phase-field method of ferroelectric crystals and their applications to modeling and predicting the stability of domain structures and their responses to mechanical and electric fields. It will start with the basic principles of classical thermodynamics by introducing a modern version of the first law of thermodynamics and applying it to obtain the fundamental equation of thermodynamics for homogeneous ferroelectric crystals. The relations of the fundamental equations of thermodynamics, Landau and fluctuation theories of ferroelectrics, and the thermodynamic properties will then be discussed. It will then be followed by the discussion on the thermodynamics of ferroelectric crystals containing domain structures involving long-range elastic and electrostatic interactions and domain wall energy. The last part of the lecture will be focused on the applications of the phase-field method of ferroelectric domain structures. Examples will be presented to illustrate the application of the phase-field method to interpreting and understanding experimentally observed ferroelectric domain structures and to providing guidance to experimental growth of thin films and characterization to discover new mesoscale domain states of materials, achieve dramatically enhanced properties, and uncover hidden functionality.

* Présentation en français avec diaporama en anglais.
* RESUME :

La compréhension du cycle du carbone est depuis son origine, l'une des thématiques phares des recherches menées au LSCE. Plusieurs équipes expérimentales et de modélisation s'intéressent à mieux comprendre les mécanismes et les interactions mis en jeu notamment entre les différents reservoirs que sont l'atmosphère, les océans, les écosystèmes. Les équipes ICOS sont notamment en charge de la coordination du service national d'observation ICOS-France pour l'observation et le suivi des concentrations de gaz à effet de serre dans l'atmosphère et du centre thématique atmosphère de l'infrastructure européenne de recherche ICOS (Integrated Carbon Observation System). 

Dans un premier temps, je vous décrirai le fonctionnement de ce réseau de mesure quasi opérationnel et je vous présenterai quelques résultats obtenus, puis je replacerai ces travaux dans le contexte plus large de réchauffement climatique actuel et de la nécessité d'évaluer et de limiter l'impact de nos émissions carbone. Dans un second temps, je décrirai le travail piloté pour établir le bilan carbone du LSCE et les résultats obtenus depuis 2019, et je vous présenterai la démarche que nous avons mise en place pour limiter l'impact des activités de recherche du laboratoire. 

A propos de Marc DELMOTTE :

Je suis ingénieur de recherche au CNRS / LSCE. Après un doctorat en paléoclimatologie (sur l'analyse des enregistrements issus des glaces polaires), je suis devenu expert dans la mesure d'éléments traces notamment les isotopes puis des gaz à effet de serre. J'ai assuré la coordination technique du service national d’observation des gaz à effet de serre Français pendant une douzaine d'année et je suis toujours impliqué dans ce réseau de mesure. Depuis 5 ans je pilote et j'anime le groupe de travail empreinte écologique du LSCE, et je suis le référent LSCE pour ces questions. Je coordonne notamment le calcul du bilan carbone annuel du LSCE. Je suis également impliqué dans la diffusion es connaissances au sein de la cellule communication du LSCE.

     In novel, beyond Von Neumann, computational approaches the use of magnons (or quanta of spin waves) is particularly promising due to the small intrinsic energies of individual magnons (μeV), the possibility of using phase, in addition to magnitude, as a state variable, and the possibility to control the magnon dispersion properties in a magnetic sample by varying the direction and magnitude of the bias magnetic field [1]. 

     However, the use of magnons in advanced and neuromorphic computing is severely limited by the existing linear methods of magnon excitation, which are based on current-driven inductive transducers which have poor energy efficiency due to Ohmic losses, and are unable to effectively excite ultra-short exchange-dominated magnons. Here we propose to use a resonator-like energy-efficient gate, based on the effect of voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA) [2], as a new type of antenna for parametric excitation and reception of exchange-dominated magnons of a submicron wavelength, having a well-defined phase.  When a pumping voltage V of a microwave frequency ωp is applied to a resonator-like VCMA gate, the parametric excitation of two short-wavelength counter-propagating half-pumping-frequency magnons ωk  and ω-k will occur :

        ωp=ωk+ω-k,  kp∼0=k+-k .      (1)

The magnetic anisotropy under the gate will be changed, causing partial reflections of the excited magnons at the both gate boundaries. The excited magnons, then, will have a well-defined phase, that is determined by the phase of the pumping voltage and by the reflection properties of the VCMA resonator. The wavenumber of the excited magnons could be large, and unrelated to the gate size, as it is determined only by the pumping frequency, and the magnon dispersion law ωk . The same resonator-like VCMA gate can also act as a receiver of propagating short-wavelength magnons that will create a standing wave under the gate with double the magnon frequency. This standing wave of the frequency ωp will be detected using a parametric confluence process opposite to the parametric splitting process (1) used for the excitation of magnons at the input VCMA gate. Our calculations show that the reflection of the excited magnons at the gate boundaries reduces the excitation threshold up to two times (in the case of full reflection R=1  ). The calculated excitation threshold for the VCMA gate is presented in Fig. 1. In our calculations we used geometric parameters that are typical for VCMA experiment made on Fe/MgO heterostructures (see e.g. [2, 3]: thickness of the Fe waveguide tFM=1 nm , thickness of dielectric layer tMgO=0.5 nm , waveguide width w=50 nm , and the length of the pumping gate Lg=1 μm .  Our preliminary numerical calculation performed for the simplified model of a voltage-biased VCMA gate (see Fig. 1) have demonstrated that the proposed method of parametric excitation and reception of ultra-short-wavelength magnons is realistic, and can be implemented in experiment to generate phase-modulated magnon signals of sub-micron wavelength with high energy efficiency in the GHz and sub-THz frequency ranges.

[1] A. Mahmoud, F. Ciubotaru, F. Vanderveken, A. V. Chumak, S. Hamdioui, C. Adelmann, and S. Cotofana, "Introduction to spin wave computing," Journal of Applied Physics, vol. 128, no. 16, p. 161101, 2020.

[2] P. Khalili Amiri and K. L. Wang, "Voltage-controlled magnetic anisotropy in spintronic devices," SPIN, vol. 02, no. 03, p. 1240002, 2012.

[3] R. Tomasello, R. Verba, V. Lopez-Dominguez, F. Garesci, M. Carpentieri, M. Di Ventra, P. Khalili Amiri, and G. Finocchio, "Antiferromagnetic Parametric Resonance Driven by Voltage-Controlled Magnetic Anisotropy," Physical Review Applied, vol. 17, no. 3, p. 034004, 2022.

    Andrei Slavin received PhD degree in Physics in 1977 from the St. Petersburg Technical University, St. Petersburg, Russia. 

     Dr. Slavin developed a state-of-the-art theory of spin-torque oscillators, which has numerous applications in the theory of current-driven magnetization dynamics in magnetic nanostructures. His current research support includes multiple grants from the U.S. Army, DARPA, SRC and the National Science Foundation. This research involves international collaborations with leading scientists in many countries, including Germany, Ukraine, France, Italy, and the United States. Dr. Slavin is a frequently invited speaker at international conferences on magnetism around the world.  

     Andrei Slavin is Fellow of the American Physical Society, Fellow of the IEEE, and Distinguished Professor and Chair of the Physics Department at the Oakland University, Rochester, Michigan, USA.

Figure 1. Calculated threshold (electric field) of parametric excitation of spin waves in a VCMA gate as a function of the spin wave wavelength (top axis) and frequency (bottom axis) for different reflection coefficients R  at the gate boundaries.