Bien que le calcul neuromorphique contribue grandement au développement de l’intelligence artificielle, les implémentations matérielles de réseaux de neurones sont encore peu nombreuses. En particulier, il est difficile de réaliser de tels réseaux avec un très grand nombre d’interconnexions entre neurones physiques, pourtant nécessaires pour atteindre les performances promises par ce type d’architecture. Dans cette thèse, nous nous proposons d’explorer une voie originale qui pourrait résoudre à terme ce problème d’hyperconnectivité. Dans les microstructures magnétiques, les modes propres d'excitation (ondes de spin) sont couplés entre eux via des interactions non linéaires. L’idée est d’utiliser ce système dynamique fortement non linéaire pour accomplir des tâches de calcul neuromorphique. Les modes d’ondes de spin, définis dans l’espace réciproque, jouent le rôle de neurones, tandis que leurs interactions non-linéaires, dont l’amplitude est contrôlée par la population dans chaque mode, jouent le rôle de synapses. En étudiant expérimentalement les mécanismes de redistribution de l’énergie entre ondes de spin dans des microstructures ferromagnétiques sous différents régimes d’excitation, et en s’appuyant sur des simulations micromagnétiques de la dynamique de l’aimantation, l’objectif de cette thèse sera d’identifier des configurations permettant une implémentation hardware efficace pour effectuer du calcul neuromorphique, qui serait utile entre autres pour le traitement des signaux de télécommunications.

Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés en plein essor présentant un large panel de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production d'énergie décarbonnées et pour l’optoelectronique. En effet, l'insertion d'azote dans le réseau cristallin d'un oxyde semiconducteur permet en principe de moduler la valeur de sa bande interdite et ainsi d'obtenir de nouvelles fonctionnalités. La production de films minces monocristallins correspondants, est un défi important. Dans ce travail de thèse, des oxydes monocristallins dopés N seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. Le BaTiO3 fournira la ferroélectricité et un spectre d'absorption favorable, tandis qu'une ferrite ferrimagnétique additionnelle, éventuellement dopée N, donnera un caractère (opto)multiferroique artificiel. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques ainsi que leurs couplages magnétoélectriques et optoélectroniques en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.



Le (la) candidate abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures de magnétométrie et de photo-électrolyse de l’eau, ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

Les objectifs de cette thèse sont l'étude des objets topologiques antiferromagnétiques dans des matériaux multiferroïques magnéto-électriques. Ces textures ferroélectriques/antiferromagnétiques peuvent être assez difficiles à observer, en particulier à cause de leur taille inférieure à 100 nm. La génération de seconde harmonique, approche d’optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imager des textures multiferroïques complexes. Ce travail de doctorat sera centré sur l'utilisation de techniques d'optique non linéaire en champ proche pour étudier les mécanismes intrinsèques de la génération et de la manipulation de véritables skyrmions antiferromagnétiques.

Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques à l’échelle locale de matériaux magnétiques comme des aciers, des nanoparticules ou des roches magnétiques, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif a été développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes. Ce microscope combine un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique intégré dans un bras de levier AFM. Les capteurs magnétiques utilisés sont des capteurs à magnétorésistance (MR) géante et tunnel, basés sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/vHz. L’AFM permet un contrôle de la hauteur de la pointe et son déplacement, tandis que le capteur MR intégré dans la pointe AFM mesure le champ magnétique à chaque position sur l’échantillon.



Cet outil innovant a été jusqu’ici appliqué à la nanométrologie des champs magnétiques statiques à l’échelle locale. Durant cette thèse le but est d’investiguer d’autres applications possibles en utilisant notamment une propriété spécifique des capteurs MR : leur large gamme de fréquence en détection allant du DC à plusieurs centaines de MHz voire le GHz. Ainsi les propriétés de susceptibilité magnétique de nanoparticules magnétiques uniques pourront être étudiées, notamment dans le cadre de l’utilisation des nanoparticules dans les applications biomédicales par exemple (biopuces, tests bandelette…). Une deuxième application visée est la magnonique ou l’utilisation des ondes de spin (plutôt que des charges) afin de transporter et traiter l’information avec un minimum de pertes d’énergie. Les capteurs MR sont en effet de très bons candidats pour être des détecteurs miniaturisables de ces ondes de spins et permettent leur cartographie.



Dans le cadre de cette thèse, des développements seront nécessaires afin d’optimiser la réponse des capteurs en fonction de l’application visée. Les performances des capteurs seront étudiées en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La thèse comportera un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de magnétotransport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre magnétique blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit. Le microscope et l’électronique de détection du capteur devront être eux aussi adaptés aux mesures à haute fréquence afin d’exploiter le potentiel du microscope pour des applications innovantes.

Le sujet de thèse porte sur l’étude de photo-anodes nanostructurées d’hématite, activées catalytiquement par une couche « catalyseur » déposée en surface (M-OOH, avec M = Fe, Ni, Co, Cu, Zn) pour une production plus efficace d'hydrogène par photo-électrolyse de l’eau.



Par ce sujet, nous proposons d’optimiser le processus de photo-électrolyse de l’eau qui s’inscrit dans une démarche plus qui n’oppose pas les sources énergies, mais propose un mix énergétique pour la réussite d’une économie circulaire basée sur des technologies « bas carbone ». Ainsi l’utilisation des matériaux abondants, la production, la régénération des dispositifs, seront au cœur de l’étude.



Les nanofils d’hématite seront déposées par voie chimique dans une solution aqueuse, une technique de dépôt versatile et adaptée à une production à grande échelle. Le doctorant sera responsable de plusieurs aspects du projet: (1) la mesure de l’efficacité des photo-anodes activées catalytiquement, (2) l’étude de leur stabilité dans le temps, (3) la régénération des photo-anodes dans une démarche de recyclage « actif ». A cet égard, le candidat aura l'opportunité d’utiliser diverses techniques de préparation et de caractérisation: le dépôt des photo-anodes par voie chimique, la réalisation des électrodes de travail en carbone vitreux, la caractérisation photo-électrochimique, la microscopie en champ proche (AFM), microscopie en transmission des rayons X (STXM). L'étudiant en thèse bénéficiera d'une collaboration continue entre IRAMIS / SPEC et le Synchrotron SOLEIL, ligne de lumière HERMES.

Les courants de spin purs jouent un rôle majeur dans la spintronique moderne. Maîtriser leur transport à des échelles de temps ultracourtes (sub-picoseconde) représente une des briques fondamentales pour étendre les concepts de la spintronique au domaine terahertz. L’objectif principal de cette thèse est l’étude du transport ultrarapide de l’information de spin à travers des isolants antiferromagnétiques (AF). Ces matériaux suscitent désormais un intérêt considérable, principalement en raison de leurs capacités ultrarapides. Nous proposons ici d’explorer les différentes caractéristiques du transport terahertz courant de spin pur dans les antiferromagnétiques en utilisant des techniques d’optique résolues en temps (magnéto-optique et seconde harmonique génération) et de spectroscopie teraHertz.