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Univ. Paris-Saclay
Calcul avec la dynamique non linéaire d'ondes de spin
Computing with nonlinear spin-wave dynamics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

08/04/2021

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DE-LOUBENS Gregoire
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary
Dans les nanostructures 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 pour accomplir des tâches de calcul neuromorphique.
In magnetic nanostructures, the excitation eigenmodes (spin-waves) are coupled together via nonlinear interactions. The main idea is to use this dynamical system to perform neuromorphic computing tasks.
Sujet détaillé/Full description
Les ondes de spin (OdS) sont les excitations collectives de l'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques. Leur fréquence propre se situe typiquement dans la gamme GHz avec des longueurs de propagation de plusieurs microns en fonction de l'amortissement intrinsèque du matériau. En raison des interactions d'échange et dipolaires, leur dynamique est par nature non linéaire et présente une physique très riche. Dans les géométries confinées à base de couches minces, les OdS sont quantifiées avec un spectre fréquentiel contrôlé par les dimensions latérales de l'échantillon. Ce spectre d'OdS peut également être modifié par des stimuli externes comme un champ magnétique ou un couple de transfert de spin. Des stimuli de grande amplitude peuvent aussi déclencher des processus non linéaires comme la conversion de mode et les instabilités de mode, conduisant à une redistribution d'énergie entre OdS [1,2].

Au cours de ce stage, nous étudierons expérimentalement les possibilités offertes par les OdS dans des couches minces nanostructurées pour effectuer du reservoir computing [3]. Le mécanisme de contrôle de base est le couplage non linéaire entre OdS, qui permet aux modes propres orthogonaux de l'état d'équilibre d'interagir les uns avec les autres à mesure que leurs amplitudes augmentent. Parce qu'un tel couplage implique des événements de seuil [1], comme observé dans les neurones, il est possible de réaliser des tâches de calcul de nature cognitive, comme par exemple de la classification. Pour cela, nous réaliserons une spectroscopie multifréquence de nanostructures magnétiques à très faible amortissement dans le régime non linéaire [2]. Nous utiliserons un microscope de force à résonance magnétique, une technique de champ proche développée au laboratoire capable de détecter la dynamique d'OdS dans des nanoaimants individuels [4]. Pour analyser les résultats expérimentaux et identifier les configurations utiles pour le reservoir computing basé sur un réseau de neurones récurrent, nous nous appuierons également sur des simulations micromagnétiques basées sur un code python open source [5]. À moyen terme, cela pourrait permettre une implémentation hardware de reservoir computing reposant sur le concept de "liquid state machine" [6] aux fréquences GHz, qui serait utile entre autres pour le traitement des signaux de télécommunications.

Ce stage se déroulera dans le cadre de deux projets récemment financés, l'un par l'Europe (k-NET) et l'autre par l'ANR (MARIN), et se déroulera donc dans un environnement collaboratif.

[1] V. Naletov et al., Ferromagnetic resonance spectroscopy of parametric magnons excited by a four-wave process, Phys. Rev. B 75, 140405 (2007)
[2] Y. Li et al., Nutation Spectroscopy of a Nanomagnet Driven into Deeply Nonlinear Ferromagnetic Resonance, Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)
[3] W. Maass et al., Real-time computing without stable states: A new framework for neural computation based on perturbations, Neural Computation 14, 2531 (2002)
[4] O. Klein et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
[5] http://micromagnetics.org/software/
[6] C. Fernando & S. Sojakka, Pattern Recognition in a Bucket in Lecture Notes in Computer Science, vol 2801 (2003)
Spin-waves (SWs) are the collective excitations of magnetization in ferromagnets. Their natural frequency is typically in the GHz range with propagation lengths over several microns depending on the intrinsic damping of the material. Due to exchange and dipole-dipole interactions, their dynamics is inherently nonlinear and can exhibit rich physics. In confined geometries like thin film waveguides and dots, SW modes are quantised with frequency spacings controlled by the lateral dimensions of the magnetic sample, which can be further modified by external stimuli such as applied magnetic fields or spin transfer torques. Large amplitude stimuli can trigger nonlinear processes like mode conversion and mode instabilities, resulting in the redistribution of energy between coupled SW modes [1,2].

During this internship, we will investigate experimentally the capacity of SWs in nanostructured thin films to perform reservoir computing [3]. The basic control mechanism is the nonlinear coupling between SWs, which allows orthogonal eigenmodes of the equilibrium state to interact with each other as their amplitudes increase. Because such coupling involves thresholding events [1], like for spiking neurons, we can achieve computational tasks with a cognitive nature like classification. For this, we will perform a multifrequency spectroscopy of ultra-low damping magnetic nanostructures in the nonlinear regime [2]. We will use a magnetic resonance force microscope, a home made near field technique able to sensitively detect SW dynamics in individual nanomagnets [4]. To analyze the experimental results and identify configurations useful for reservoir computing based on recurrent neural network, we will also rely on micromagnetic simulations based on an open source python code [5]. In the mid-term, this might allow for a new hardware implementation of reservoir computing that relies on the liquid state machine concept [6] at GHz frequencies, which could be useful for processing telecommunications signals.

This internship will take place in the context of two recently funded projects, one by Europe (k-NET), and another one by the French ANR (MARIN), and will therefore be conducted in a collaborative environment.

[1] V. Naletov et al., Ferromagnetic resonance spectroscopy of parametric magnons excited by a four-wave process, Phys. Rev. B 75, 140405 (2007)
[2] Y. Li et al., Nutation Spectroscopy of a Nanomagnet Driven into Deeply Nonlinear Ferromagnetic Resonance, Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)
[3] W. Maass et al., Real-time computing without stable states: A new framework for neural computation based on perturbations, Neural Computation 14, 2531 (2002)
[4] O. Klein et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
[5] http://micromagnetics.org/software/
[6] C. Fernando & S. Sojakka, Pattern Recognition in a Bucket in Lecture Notes in Computer Science, vol 2801 (2003)
Mots clés/Keywords
Dynamique de l'aimantation ; nanomagnétisme ; magnonique ; systèmes dynamiques ; calcul neuromorphique
Magnetization dynamics ; nanomagnetism ; magnonics ; dynamical systems ; neuromorphic computing
Compétences/Skills
Microscopie à force magnétique ; techniques hyperfréquence ; simulations micromagnétiques
Magnetic force microscopy; high frequency techniques; micromagnetic simulations
Logiciels
Python
Etude de particules diélectriques et hybrides en vue de la mise en œuvre de nanomarqueurs pour l’imagerie en biologie
Study of dielectric and hybrid particles for the implementation of nanolabels for bioimaging

Spécialité

Interaction laser-matière

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/03/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FIORINI Celine
+33 1 69 08 62 38/19 76

Résumé/Summary
L’objectif du stage consistera à analyser les propriétés de conversion de fréquence (génération de 2nd harmonique – SHG) de particules diélectriques nanométriques en vue de leur implémentation future pour le marquage et l’imagerie en milieu biologique : il s’agira plus particulièrement de démontrer la possibilité d’exalter le signal SHG de ces particules suite à leur couplage à des nanoantennes plasmoniques. Ce travail sera mené dans un cadre collaboratif, un banc de caractérisation couplant mesures optiques et topographiques de nano-objets individuels est d’ordres et déjà opérationnel.
The internship aims at analyzing the frequency conversion properties (2nd harmonic generation - SHG) of nanometric dielectric particles in view of their future implementation for labeling and imaging in biology : the objective will more particularly be to demonstrate the possibility of enhancing the SHG signal of these particles following their coupling to a plasmonic nanoantennae. This work will be carried out in a collaborative framework, an already functional characterization set-up coupling optical and topographic measurements of individual nano-objects, will be taken into profit.
Sujet détaillé/Full description
Suite à de premiers travaux menés dans le cadre d’une collaboration entre notre laboratoire et 2 autres laboratoires du plateau de Saclay (ENS Paris-Saclay/ LUMIN et CentraleSupelec/ SPMS), nous avons pu mettre en évidence l’intérêt de nanoparticules diélectriques de BaTiO3 dopées pour l’imagerie optique en milieu biologique. Plus particulièrement, les propriétés à la fois de luminescence et de conversion de fréquence (génération de second harmonique - SHG) de ces particules en font des marqueurs particulièrement intéressants pour analyser à terme le transport intracellulaire au sein de réseaux neuronaux, ouvrant la voie à l’étude des désordres induits par des maladies neuropsychiatriques ou neurodégénératives.

L’objectif du stage consistera à analyser les propriétés optiques de particules de taille réduite (< 100 nm) en utilisant un banc de caractérisation couplant un microscope à force atomique ((AFM) à un microscope optique associé à diverses excitations laser : il s’agira plus particulièrement de démontrer la possibilité d’exalter le signal SHG de ces particules suite à leur couplage à des nanoantennes plasmoniques. Divers types d’antennes plasmoniques ont été envisagées et des simulations sont actuellement en cours. Selon les résultats, différents objets hybrides associant des particules de BaTiO3 à d’autres particules ou dépôts d’or seront synthétisés par nos collaborateurs (CEA, CentraleSupelec ou ESPCI).
L’équipe d’accueil est le groupe Nanophotonique du SPEC/LEPO (http://iramis.cea.fr/spec/LEPO/). Pour les besoins de ses recherches, le groupe a développé un savoir-faire important dans le couplage de mesures optiques avec des microscopies à sondes locales. L’équipe dispose ainsi de plusieurs bancs expérimentaux de ce type, fonctionnant à l’air ou sous ultravide : optique et optique non-linéaire de nano-objets, nouvelles méthodes de microscopies optiques à sonde active …

Le rôle du stagiaire ira de la préparation des échantillons (en partenariat avec les collaborateurs du projet), à la caractérisation de leurs propriétés de conversion de fréquence (analyses spectrales et résolues en polarisation). Il participera également à l’interprétation des résultats obtenus.

Following a previous work carried out within the framework of a collaboration between our laboratory and 2 other laboratories of the Plateau de Saclay (ENS Paris-Saclay/ LUMIN and CentraleSupelec/ MSMAT), we were able to highlight the interest of doped BaTiO3 dielectric nanoparticles for optical bioimaging. More particularly, the properties of both luminescence and frequency conversion (second harmonic generation - SHG) of these particles make them particularly interesting as labels for the analysis of intracellular transport within neural networks, opening the way to the study of disorders induced by neuropsychiatric or neurodegenerative diseases.

The objective of the internship will be to analyze the optical properties of particles of reduced size (< 100 nm) using a home-built characterization set-up coupling an atomic force microscope (AFM) to an optical microscope associated with various laser excitations: the aim will more particularly be to evidence the possibility of enhancing the SHG signal of these particles following their coupling to plasmonic nanoantennas. Various types of plasmonic antennas have been considered and simulations are currently in progress. Depending on the results, different hybrid objects associating BaTiO3 particles to gold particles or gold coatings will be synthesized by our collaborators (CEA, CentraleSupelec or Institut Langevin).
The host team is the Nanophotonics group of SPEC/LEPO (http://iramis.cea.fr/spec/LEPO/). For the needs of its research, the group has developed an important know-how in the coupling of optical measurements with local probe microscopies. The team has several experimental benches of this type, operating in air or under ultra-high vacuum: optics and nonlinear optics of nano-objects, new methods of optical microscopy with active probe ...

The role of the student will range from sample preparation (in partnership with the project collaborators), to the characterization of their frequency conversion properties (spectral and polarization-resolved analyses). He will also participate in the interpretation of the results that will be obtained.
Mots clés/Keywords
Nanosciences, nanotechnologies, nanophotonique, microscopies à sondes locales
Nanosciences, nanotechnologies, nanophotonics, local probe microscopies
Étude théorique d'électrodes en graphène pour l’Electronique Moléculaire
Theoretical study of graphene electrodes for Molecular Electronics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DAPPE Yannick
+33 1 69 08 30 32

Résumé/Summary
L'objectif principal de ce stage est de comprendre les mécanismes de transport électroniques au sein de jonctions moléculaires à base de graphène, par des méthodes de type "théorie de la fonctionnelle de densité - DFT".
The main objective of this internship is the theoretical study within the Density Functional Theory (DFT) frame of graphene-based molecular junctions, as well as the understanding of the corresponding electronic transport mechanisms.
Sujet détaillé/Full description
L'électronique moléculaire constitue de nos jours un domaine de recherche très actif, tant pour les aspects fondamentaux de ces nouveaux systèmes qui permettent d'explorer la Physique à l'échelle atomique, que par les possibles retombées en termes de composants électroniques innovants. En effet, outre la capacité à reproduire les composants électroniques à base de silicium (diodes, transistors, …), les molécules peuvent apporter de nouveaux types de réponses électriques du fait d'un grand nombre de degrés de liberté quantiques, modulables en fonction de la molécule considérée. En effet, la nature quantique de ces objets ainsi que les nouvelles fonctionnalités qui y sont associées, ouvrent des perspectives fascinantes pour construire l'électronique du futur. En conséquence, ces nouvelles recherches ont conduit à d'importants développements dans le domaine de l'électronique moléculaire, notamment pour ce qui est du contrôle et de la manipulation du transport électronique à travers une jonction moléculaire. La majorité des jonctions moléculaire est fabriquée à base de molécules connectées à leurs extrémités par des électrodes métallique (or, platine, argent, ….). Or il a été démontré à plusieurs reprises que la connexion de l'électrode à la molécule présente une influence non négligeable sur la conductance électrique du système. En ce sens, de récents développements ont proposés l'utilisation de nouveaux matériaux tels que le graphène, une couche monoatomique de carbone, réputée pour ces fantastiques propriétés de conduction électrique, comme électrodes dans les jonctions moléculaires. Ainsi, il a été observé que la connexion à une électrode en graphène permet d'augmenter significativement la conductance de la jonction pour de longues chaînes moléculaires, et donc de réduire le coût énergétique de ces systèmes.

L'objectif principal de ce stage s'inscrit dans ce cadre par l'étude théorique de jonctions moléculaires asymétriques, basées sur des électrodes en graphène ou MoS2, ainsi que l'étude de fils moléculaires décollés de la surface par une pointe STM. En utilisant la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), on déterminera la configuration d'équilibre de la jonction moléculaire, ainsi que des propriétés électroniques, avant dans un deuxième temps, à partir des configurations d'équilibre obtenues, de calculer le transport électronique dans un formalisme de Keldysh-Green. Il s'agira alors de comprendre le mécanisme d'augmentation de la conductance par rapport aux jonctions classiques, et de les comparer aux résultats expérimentaux existants. Les différents comportements attendus dans ces systèmes permettent d'étudier la Physique du transport électronique à l'échelle atomique, et peuvent être à l'origine de la conception de nouveaux composants à l'échelle de la molécule unique.
Molecular Electronics constitute nowadays a very active field of research, either for fundamental aspects in these new systems which allow exploring new Physics at the atomic scale, than for the possible applications in terms of innovative electronic devices. Indeed, beyond the ability to reproduce silicon based components (diodes, transistors, …), molecules can also bring new types of electric response due to the great number of quantum degrees of freedom, which are tunable according to the considered molecule. Indeed, the quantum nature of these objects as well as the new associated functionalities open fascinating perspectives to build future electronics. Consequently, those new researches have led to important developments in the field of Molecular Electronics, in particular regarding the control and manipulation of electronic transport through a molecular junction. Most of the molecular junctions are based on molecules connected to metallic electrodes (gold, platinum, silver…). However, it has been demonstrated in several occasions that the connection between molecule and electrode has a non negligible influence on the electric conductance of the system. In that manner, recent developments have proposed to make use of new materials like graphene, which is really well-known for its fantastic electric conduction properties, as electrodes for molecular junctions. Hence, it has been observed that the connection to a graphene electrode allows to significantly increase the junction conductance for long molecular chains, and therefore to reduce the energetic cost of such junction.

The main objective of this internship lies in this frame by the theoretical study of asymmetric molecular junctions based on graphene or MoS2, as well as the study of molecular wires lifted off a surface using a STM tip. By using Density Functional Theory (DFT), we will determine the equilibrium configuration of the molecular junction and the corresponding electronic properties, before in a second time to calculate the electronic transport from the obtained structures, using a Keldysh-Green formalism. The purpose will be to understand the mechanism of conductance increase with respect to classical junctions, and to compare them to existing experimental results. The different expected behaviorsin those systems allow to study the Physics of electronic transport at the atomic scale, and could be exploited for the conception of new devices at the single molecule scale.
Mots clés/Keywords
Théorie, simulations numériques, propriétés électroniques et transport électronique, électronique moléculaire, graphène
Theory, numerical simulations, electronic properties and electronic transport, molecular electronics, graphene
Compétences/Skills
Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), formalisme de Keldysh-Green pour le transport hors-équilibre, modèle de liaisons fortes
Density Functional Theory (DFT), Green Keldysh formalism for non-equilibrium transport, tight-binding model
Logiciels
Fortran, Fireball code
Expérience Hong Ou Mandel dans le graphène
Hong Ou Mandel experiment in graphene

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

10/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ROULLEAU Preden
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary
Dans ce stage, nous proposons de réaliser la première expérience d'interférométrie à deux électrons dans le graphène: l'expérience d'Hong Ou Mandel.
In this internship, we propose to realize the first two-electron interfetometer in graphene: the Hong Ou Mandel experiment.
Sujet détaillé/Full description
Ce stage aborde un sujet central à la croisée de l'information quantique, du transport quantique et des matériaux 2D : la physique de l'électronique de vallée. En plus de la charge électronique fondamentale, l'électron porte un spin. Le contrôle de ce spin a ouvert un nouveau domaine, la spintronique, qui exploite le spin afin de coder l'information pour certaines applications comme le transfert et le stockage des données.
Dans le graphène, en raison des deux sous-réseaux, un nouveau degré de liberté interne apparaît : l'isospin de vallée. La robustesse de l'isospin de vallée contre le bruit électrostatique suggère que l'électronique de vallée, qui code les informations dans l'isospin de vallée, a un grand potentiel pour des applications en physique fondamentale mais aussi dans l'industrie de haute technologie. La feuille de route pour la technologie et l'innovation du graphène (Graphene Flaqship) décrit le graphène comme une plateforme potentielle pour l'électronique de vallée.
Récemment, nous avons réussi à contrôler l'état de vallée électrostatiquement sur un bord de graphène. En utilisant deux grilles latérales comme une paire de lames séparatrices de faisceaux de vallée, nous avons réalisé un interféromètre de Mach Zehnder et démontré des opérations quantiques de base d'un qubit de vallée. Nous avons montré en outre que la cohérence du qubit de vallée dépasse largement les valeurs rapportées pour le qubit de charge dans les semi-conducteurs 2D à haute mobilité.
Dans ce stage, nous proposons d'aller plus loin et de réaliser la première expérience d'interférométrie à deux électrons dans le graphène: l'expérience d'Hong Ou Mandel.
This internship addresses a central topic at the cross between quantum information, quantum transport, and 2D materials: the physics of valleytronics. In addition to the fundamental electronic charge, electron carries spin. The development of spin control has opened and extended a large field, spintronics, which exploits spin to encode information for some applications in data transfer and storage. In graphene, because of the two sublattices, a new internal degree of freedom pops up: the valley isospin. Robustness of the valley isospin against electrostatic noise suggests that valleytronics, which encodes information in the valley isospin, has great potential for tremendous applications in fundamental physics but also high-tech industry. The Graphene Technology and Innovation Roadmap (Graphene Flaqship) describes graphene as a potential platform for valleytronics.
Recently, we succeeded in controlling the degree of the valley scattering at a small side gate on a graphene edge. Using two side gates as a pair of valley beam splitters, we have realized an electronic Mach Zehnder interferometer and demonstrated basic quantum operations of a flying valley qubit, that is, quantum control of the superposition of spatially co-propagating but opposite-valley-isospin channels along a graphene PN junction. We moreover show that the coherence of the flying valley qubit largely surpasses state of the art values of charge qubit in high-mobility 2D semiconductors.

In this internship, we propose to go one step further and to realize the first two-electron interfetometer in graphene: the Hong Ou Mandel experiment.
Mots clés/Keywords
Hong Ou Mandel, graphène, interféromètre
Hong Ou Mandel, graphene, interferometer
Compétences/Skills
L'expérience est en cours. L'étudiant analysera et traitera les données sous python. Discussions sur le traitement des données avec l'équipe
It is a running experiment The student will analyse and treat the data with Python Discussion about the data treatment with the team
Logiciels
Python
Fonctionnalisation optique du graphène par auto-assemblage de molécules organiques
Optical functionalization of graphene by self-assembly of organic molecules

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

12/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHARRA Fabrice
+33 1 69 08 97 22/19 76

Résumé/Summary
L’objectif du stage est d’explorer les possibilités offertes par l’auto-assemblage de molécules organiques pour la réalisation d’hétérostructures de matériaux 2D basées sur le graphène, en vue d’applications en photonique.
The objective of the master project is to explore the possibilities offered by the self-assembly of organic molecules for the realization of 2D-material heterostructures based on graphene, with a view to applications in photonics.
Sujet détaillé/Full description
Les matériaux 2D tels que le graphène présentent des propriétés originales. Les empilements de feuillets 2D différents, appelés hétérostructures de van-der-Waals, attirent particulièrement l’attention en vue d’applications innovantes en électronique et en photonique. Malheureusement le nombre de matériaux 2D susceptibles d’être mis en œuvre est actuellement très limité et ne permet pas d’aller au-delà de démonstrations de principe. Le stage s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche collaboratif entre équipes de physiciens (CEA Saclay, Institut Néel Grenoble) et de chimistes (laboratoire international 2D-FUEL, CNRS et Université Yonsei, Seoul, Corée) visant à introduire des matériaux 2D variés et aux propriétés ajustables constitués d’un feuillet de graphène sur lequel est adsorbé un réseau organisé de molécules organiques. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux propriétés photoniques d’hétérostructures de van-der-Waals basées sur ces systèmes. Le stage se basera sur des premiers résultats publiés récemments par les partenaires du projet : N. Kalashnyk et al., Functional hybrid multilayered van derWaals heterostructures from graphene and self-assembled supramolecular 2D crystals. 2d Materials 6, (2019) https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab2ba7 ; N. Kalashnyk et al., Electronic effects of the Bernal stacking of graphite on self-assembled aromatic adsorbates. Chemical Communications 54, 9607-9610 (2018) https://doi.org/10.1039/C8CC05806G ; A. St John et al., Computer modeling of 2D supramolecular nanoporous monolayers self-assembled on graphite. Nanoscale 11, 21284-21290 (2019) https://doi.org/10.1039/C9NR05710B .
Les travaux de stage consisteront à la réalisation des structures (transfert de feuillets de graphène, fonctionnalisation par auto-assemblage en solution ou par dépôt sous vide), à la caractérisation structurale (microscopies à sondes locales STM, AFM) et optique (microspectroscopie d’absorption, de luminescence, diffusion Raman).
L’équipe d’accueil est le groupe Nanophotonique du SPEC/LEPO (http://iramis.cea.fr/spec/LEPO/). Pour les besoins de ses recherches, le groupe a développé un savoir-faire important dans le couplage de mesures optiques avec des microscopies à sondes locales. L’équipe dispose ainsi de plusieurs bancs expérimentaux de ce type, fonctionnant à l’air ou sous ultravide. Le stagiaire sera aussi amené à participer aux discussions avec les partenaires du projet pour développer les techniques de réalisation des hétérostructures et participer au design des molécules organiques.
2D materials such as graphene exhibit original properties. The stacks of different 2D atomically-thin layers, called van-der-Waals heterostructures, are attracting particular attention for innovative applications in electronics and photonics. Unfortunately the number of 2D materials that can be processible in such 2D heterostructures is currently very limited and does not allow to go beyond proofs of principle simple demonstrators. The internship will take place in the framework of a collaborative research project between teams of physicists (CEA Saclay, Institut Néel Grenoble) and chemists (2D-FUEL international laboratory, CNRS and Yonsei University, Seoul, Korea) aiming to introduce Various 2D materials with adjustable properties consisting of a graphene sheet on which an organized network of organic molecules is adsorbed. We will be particularly interested in the photonic properties of van-der-Waals heterostructures based on these systems. The internship will be based on the first results published recently by the project partners: N. Kalashnyk et al., Functional hybrid multilayered van derWaals heterostructures from graphene and self-assembled supramolecular 2D crystals. 2d Materials 6, (2019) https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab2ba7 ; N. Kalashnyk et al., Electronic effects of the Bernal stacking of graphite on self-assembled aromatic adsorbates. Chemical Communications 54, 9607-9610 (2018) https://doi.org/10.1039/C8CC05806G ; A. St John et al., Computer modeling of 2D supramolecular nanoporous monolayers self-assembled on graphite. Nanoscale 11, 21284-21290 (2019) https://doi.org/10.1039/C9NR05710B ).
The student contribution will consist in the realization of the structures (transfer of graphene sheets, functionalization by self-assembly in solution or by vacuum deposition), in the structural characterization (local probes techniques such as STM, AFM) and determination of optical properties by microspectroscopy (absorption, luminescence, Raman scattering).
The host team is the Nanophotonics group of SPEC / LEPO http://iramis.cea.fr/spec/LEPO/ . For the purposes of its research, the group has developed significant know-how in the coupling of optical measurements with local probe microscopies. The team research is based on several experimental benches of this type, operating in air or under ultra-high vacuum. The student will also participate in discussions with the project partners to develop techniques for producing heterostructures and participate in the design of organic molecules.
Mots clés/Keywords
Matériaux 2D, matériaux organiques, auto-assemblage, nanosciences, nanotechnologies, photonique, microscopies à sondes locales
2D-materials, organic materials, self-assembly, nanosciences, nanotechnologies, photonics, local-probe techniques
Compétences/Skills
Manipulation de matériaux 2D (transfert par voie humide), auto-assemblage moléculaire en solution, dépôt sous vide, microscopies à sondes locales (STM, AFM), microspectroscopie d’absorption, de luminescence, diffusion Raman.
Procesing of 2D materials (humid transfer techniques), solution molecular self-assembly, vacuum deposition, scanning probes (STM, AFM), microspectroscopy (absorption, luminescence, Raman scattering).
Fonctionnalisation optique du graphène par auto-assemblage de molécules organiques
Optical functionalization of graphene by self-assembly of organic molecules

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

12/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHARRA Fabrice
+33 1 69 08 97 22/19 76

Résumé/Summary
L’objectif du stage est d’explorer les possibilités offertes par l’auto-assemblage de molécules organiques pour la réalisation d’hétérostructures de matériaux 2D basées sur le graphène, en vue d’applications en photonique.
The objective of the master project is to explore the possibilities offered by the self-assembly of organic molecules for the realization of 2D-material heterostructures based on graphene, with a view to applications in photonics.
Sujet détaillé/Full description
Les matériaux 2D tels que le graphène présentent des propriétés originales. Les empilements de feuillets 2D différents, appelés hétérostructures de van-der-Waals, attirent particulièrement l’attention en vue d’applications innovantes en électronique et en photonique. Malheureusement le nombre de matériaux 2D susceptibles d’être mis en œuvre est actuellement très limité et ne permet pas d’aller au-delà de démonstrations de principe. Le stage s’inscrit dans le cadre d’un projet de recherche collaboratif entre équipes de physiciens (CEA Saclay, Institut Néel Grenoble) et de chimistes (laboratoire international 2D-FUEL, CNRS et Université Yonsei, Seoul, Corée) visant à introduire des matériaux 2D variés et aux propriétés ajustables constitués d’un feuillet de graphène sur lequel est adsorbé un réseau organisé de molécules organiques. Nous nous intéresserons plus particulièrement aux propriétés photoniques d’hétérostructures de van-der-Waals basées sur ces systèmes. Le stage se basera sur des premiers résultats publiés récemments par les partenaires du projet : N. Kalashnyk et al., Functional hybrid multilayered van derWaals heterostructures from graphene and self-assembled supramolecular 2D crystals. 2d Materials 6, (2019) https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab2ba7 ; N. Kalashnyk et al., Electronic effects of the Bernal stacking of graphite on self-assembled aromatic adsorbates. Chemical Communications 54, 9607-9610 (2018) https://doi.org/10.1039/C8CC05806G ; A. St John et al., Computer modeling of 2D supramolecular nanoporous monolayers self-assembled on graphite. Nanoscale 11, 21284-21290 (2019) https://doi.org/10.1039/C9NR05710B .
Les travaux de stage consisteront à la réalisation des structures (transfert de feuillets de graphène, fonctionnalisation par auto-assemblage en solution ou par dépôt sous vide), à la caractérisation structurale (microscopies à sondes locales STM, AFM) et optique (microspectroscopie d’absorption, de luminescence, diffusion Raman).
L’équipe d’accueil est le groupe Nanophotonique du SPEC/LEPO (http://iramis.cea.fr/spec/LEPO/). Pour les besoins de ses recherches, le groupe a développé un savoir-faire important dans le couplage de mesures optiques avec des microscopies à sondes locales. L’équipe dispose ainsi de plusieurs bancs expérimentaux de ce type, fonctionnant à l’air ou sous ultravide. Le stagiaire sera aussi amené à participer aux discussions avec les partenaires du projet pour développer les techniques de réalisation des hétérostructures et participer au design des molécules organiques.
2D materials such as graphene exhibit original properties. The stacks of different 2D atomically-thin layers, called van-der-Waals heterostructures, are attracting particular attention for innovative applications in electronics and photonics. Unfortunately the number of 2D materials that can be processible in such 2D heterostructures is currently very limited and does not allow to go beyond proofs of principle simple demonstrators. The internship will take place in the framework of a collaborative research project between teams of physicists (CEA Saclay, Institut Néel Grenoble) and chemists (2D-FUEL international laboratory, CNRS and Yonsei University, Seoul, Korea) aiming to introduce Various 2D materials with adjustable properties consisting of a graphene sheet on which an organized network of organic molecules is adsorbed. We will be particularly interested in the photonic properties of van-der-Waals heterostructures based on these systems. The internship will be based on the first results published recently by the project partners: N. Kalashnyk et al., Functional hybrid multilayered van derWaals heterostructures from graphene and self-assembled supramolecular 2D crystals. 2d Materials 6, (2019) https://doi.org/10.1088/2053-1583/ab2ba7 ; N. Kalashnyk et al., Electronic effects of the Bernal stacking of graphite on self-assembled aromatic adsorbates. Chemical Communications 54, 9607-9610 (2018) https://doi.org/10.1039/C8CC05806G ; A. St John et al., Computer modeling of 2D supramolecular nanoporous monolayers self-assembled on graphite. Nanoscale 11, 21284-21290 (2019) https://doi.org/10.1039/C9NR05710B ).
The student contribution will consist in the realization of the structures (transfer of graphene sheets, functionalization by self-assembly in solution or by vacuum deposition), in the structural characterization (local probes techniques such as STM, AFM) and determination of optical properties by microspectroscopy (absorption, luminescence, Raman scattering).
The host team is the Nanophotonics group of SPEC / LEPO http://iramis.cea.fr/spec/LEPO/ . For the purposes of its research, the group has developed significant know-how in the coupling of optical measurements with local probe microscopies. The team research is based on several experimental benches of this type, operating in air or under ultra-high vacuum. The student will also participate in discussions with the project partners to develop techniques for producing heterostructures and participate in the design of organic molecules.
Mots clés/Keywords
Matériaux 2D, matériaux organiques, auto-assemblage, nanosciences, nanotechnologies, photonique, microscopies à sondes locales
2D-materials, organic materials, self-assembly, nanosciences, nanotechnologies, photonics, local-probe techniques
Compétences/Skills
Manipulation de matériaux 2D (transfert par voie humide), auto-assemblage moléculaire en solution, dépôt sous vide, microscopies à sondes locales (STM, AFM), microspectroscopie d’absorption, de luminescence, diffusion Raman.
Processing of 2D materials (humid transfer techniques), solution molecular self-assembly, vacuum deposition, scanning probes (STM, AFM), microspectroscopy (absorption, luminescence, Raman scattering).
Fort couplage QED à des conducteurs quantiques
Strong coupling QED of quantum conductors

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ALTIMIRAS Carles
+33 1 69 08 72 35

Résumé/Summary
Pendant ce stage nous développerons des circuits de détection microondes de haute impédance et grande bande passante à fin de réaliser des expériences d'électrodynamique quantique avec des conducteurs quantiquement coherents.
During this internship, we will develop high impedance and large bandwidth RF detection circuits in order to perform quantum electrodynamics experiments on quantum coherent electrical conductors.
Sujet détaillé/Full description
Quantum transport investigates the dynamics of electrical circuits displaying a quantum mechanical behavior. This is achievable by patterning circuits in the nm/um scale in clean room environments, and cooling them at T∼15 mK in dilution fridges. A remarkable aspect of such quantum dynamics is that the electrical current fluctuates, even in response to a strictly DC bias. Detecting these quantum fluctuations is highly informative as it conveys information on the granularity of charge, the statistics of the carriers but also on the characteristic transport times such as the electronic scattering time or on interaction effects.

In the last years, our lab has developed several experimental schemes and technics in order to measure efficiently such quantum fluctuations in the few GHz range. In a qualitative level, measuring at this frequency range fdet∼6 GHz gives access to the quantum optical regime hfdet>>kBT, where one needs to provide a quantum description not only for the electrical current flowing through the conductor, but also for the electromagnetic fields exchanged with its detection scheme. This so-called circuit quantum electrodynamics regime is appealing since the corresponding ligh-matter coupling, proportional to the detection impedance, can be engineered and take non-perturbative values unparalleled in other physical systems. In a quantitative level, using this frequency range increases the experimental window: On the one side, performing faster experiments enables probing shorter transport time scales, or equivalently larger interaction energy scales. On the other side, it naturally provides larger detection bandwidths enabling to perform higher resolution experiments tracking subtle interaction effects.

The purpose of this internship is to design, micro-fabricate and test in a cryogenic environment a new generation of radiofrequency impedance matching circuits, in order to increase notably the bandwidth of the detection window. The goal of this project is to obtain a detection bandwidth larger than the thermal bandwidth at 15 mK thus fdet∼1 GHz, with a detection impedance of the order to the resistance quantum RQ=h/e^2∼25.8 k. Such a device would enable in a future PhD project to detect how the sub-Poissonian properties of Fermions being scattered upon a potential barrier might imprint on the properties of the resulting radiated RF field [1, 2].
[1] Beenaker & Schomerus, Phys.Rev.Lett. 93, 096801 (2004)
[2] Hassler & Otten, Phys. Rev. B 92, 195417 (2015)
Quantum transport investigates the dynamics of electrical circuits displaying a quantum mechanical behavior. This is achievable by patterning circuits in the nm/um scale in clean room environments, and cooling them at T∼15 mK in dilution fridges. A remarkable aspect of such quantum dynamics is that the electrical current fluctuates, even in response to a strictly DC bias. Detecting these quantum fluctuations is highly informative as it conveys information on the granularity of charge, the statistics of the carriers but also on the characteristic transport times such as the electronic scattering time or on interaction effects.

In the last years, our lab has developed several experimental schemes and technics in order to measure efficiently such quantum fluctuations in the few GHz range. In a qualitative level, measuring at this frequency range fdet∼6 GHz gives access to the quantum optical regime hfdet>>kBT, where one needs to provide a quantum description not only for the electrical current flowing through the conductor, but also for the electromagnetic fields exchanged with its detection scheme. This so-called circuit quantum electrodynamics regime is appealing since the corresponding ligh-matter coupling, proportional to the detection impedance, can be engineered and take non-perturbative values unparalleled in other physical systems. In a quantitative level, using this frequency range increases the experimental window: On the one side, performing faster experiments enables probing shorter transport time scales, or equivalently larger interaction energy scales. On the other side, it naturally provides larger detection bandwidths enabling to perform higher resolution experiments tracking subtle interaction effects.

The purpose of this internship is to design, micro-fabricate and test in a cryogenic environment a new generation of radiofrequency impedance matching circuits, in order to increase notably the bandwidth of the detection window. The goal of this project is to obtain a detection bandwidth larger than the thermal bandwidth at 15 mK thus fdet∼1 GHz, with a detection impedance of the order to the resistance quantum RQ=h/e^2∼25.8 k. Such a device would enable in a future PhD project to detect how the sub-Poissonian properties of Fermions being scattered upon a potential barrier might imprint on the properties of the resulting radiated RF field [1, 2].

[1] Beenaker & Schomerus, Phys.Rev.Lett. 93, 096801 (2004)
[2] Hassler & Otten, Phys. Rev. B 92, 195417 (2015)
Mots clés/Keywords
Transport quantique, electrodynamique quantique, radiofréquences
Quantum transport, quantum electrodynamics, radiofrequencies
Compétences/Skills
Simulation de circuits microondes, nano et micro fabrication, mesures électriques en environnements cryogéniques
RF circuit simulations, nano and microfabrication techniques, electrical measurements in cryogenic environments
Friction du vide lors de collisions atomiques et subatomiques
Vacuum friction on colliding atomic and subatomic structures

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

15/04/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Bercegol Herve
+33 1 69 08 74 37

Résumé/Summary
Le but de ce stage est de calculer l'effet dynamique de la mer de Dirac sur les collisions atomiques, en tenant dûment compte de la dynamique sous-jacente des électrons et des protons.
The goal of this internship is to calculate the dynamical effect of the Dirac sea on atomic collisions, by due consideration of the underlying dynamics of electrons and protons.
Sujet détaillé/Full description
Nous étudions les phénomènes dynamiques d'interaction entre la matière et le vide quantique en tant que cause possible de la deuxième loi de la thermodynamique. Des paires d'atomes en rotation subissent un couple dû au champ électromagnétique du point zéro du vide, calculé pour des atomes identiques ou différents. Le système matériel échange du moment angulaire avec le vide sous-jacent.
Cela rappelle le spin de l'électron, qui semble être intimement lié à l'interaction de la particule avec les champs du vide : le champ électromagnétique de point zéro et le champ de Dirac des paires électron-positron. Le but de ce stage est de calculer l'effet dynamique de la mer de Dirac sur les collisions atomiques, en tenant dûment compte de la dynamique sous-jacente des électrons et des noyaux, des protons pour commencer.
The quantum vacuum is populated with fluctuating, lowest energy states of particles and fields, a typically quantum, rather fascinating feature . There are a few experimental demonstrations of consequences of vacuum fluctuations on static material structures, like the Lamb shift and the Casimir effect. When material systems evolve dynamically, a friction force is theoretically predicted, the so-called Dynamic Casimir Effect.
We have been investigating these phenomena as a possible cause of the second law of thermodynamics. Rotating pairs of atoms experience a torque from the zero-point electromagnetic field of the vacuum, calculated for identical as well as for dissimilar atoms . The material system exchanges angular momentum with the underlying vacuum.
This is reminiscent of the spin of the electron, which appears as intimately linked to the interaction of the particle with the vacuum fields: the zero-point electromagnetic field and Dirac field of electron-positron pairs. The goal of this internship is to calculate the dynamical effect of the Dirac sea on atomic collisions, by due consideration of the underlying dynamics of electrons and nuclei, protons to begin with.
Mots clés/Keywords
QED
Quantum vacuum, QED (Quantum Electrodynamics), Vacuum friction, Dissipation, atomic and subatomic collisions
Compétences/Skills
Théorie et calculs de QED
QED theory and calculation methods
Logiciels
Mathlab, Mathematica
Imagerie sub-micronique des ordres multiferroiques
Sub-micron imaging of the different orders in multiferroics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHAULEAU Jean-Yves
+33 1 69 08 72 17

Résumé/Summary
L'idée du stage est de développer une technique d'imagerie combinant le champ proche et la génération de seconde harmonique afin d'imager les matériaux multiferroiques avec une résolution largement sub-micrométrique.
The idea of ​​the internship is to develop an imaging technique combining near field and second harmonic generation in order to image multiferroic materials with a largely sub-micrometric resolution.
Sujet détaillé/Full description
Les antiferromagnétiques (AF) sont actuellement sous les feux de la rampe grâce à des percées récentes démontrant l'effet efficace des courants de spin pour interagir avec le paramètre d'ordre AF [1,2]. Jusqu'à présent, en raison du manque de magnétisation nette, le contrôle des distributions AF a été plutôt difficile. Le contrôle AF induit par le courant ouvre également de nouvelles perspectives dans la dynamique de l'aimantation térahertz. Côté matériaux, les antiferromagnétiques représentent la grande majorité des matériaux magnétiques et certains d'entre eux présentent plusieurs phases ordonnées simultanées en couplage. Ils sont communément appelés "multiferroïques".

En particulier, lorsque l'ordre AF est couplé à une polarisation nette, il peut être commandé en appliquant une tension. Les matériaux multiferroïques [3] font l'objet d'un intense effort de recherche en raison de l'intérêt technologique important des matériaux multifonctionnels ainsi que de la richesse de la physique fondamentale, issue du couplage de divers paramètres d'ordre. Parmi tous les multiferroïques, le BiFeO3 (BFO) est un matériau de choix car ses deux températures d'ordre (FE ferroélectrique et AF) sont bien supérieures à la température ambiante. De plus, un couplage magnétoélectrique important a été mis en évidence dans des monocristaux ainsi que dans des films minces. L'un des inconvénients des multiferroïques est que ces textures FE / AF peuvent être assez difficiles à mesurer. La génération de seconde harmonique, une approche d'optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imaginer des textures multiferroïques complexes et de démêler les différentes contributions en jeu [4].

Au CEA / SPEC, nous sommes expérimentés dans l'évaluation des distributions ferroélectriques et antiferromagnétiques avec une résolution submicronique [5]. Cependant, pour la plupart des systèmes, une telle résolution n'est pas suffisante car les domaines AF sont plutôt de l'ordre de 200 nm. Nous développons actuellement une nouvelle technique basée sur la microscopie optique à balayage en champ proche pour optimiser notre résolution spatiale. Les premiers résultats sont très encourageants car une résolution de 20 nm a pu être atteinte et il a été possible d'obtenir un premier signal de seconde harmonique.

Au cours du stage, l'étudiant sera formé à l'optique laser et réalisera des expériences d'optique non linéaire en champ proche. Idéalement, le stage se poursuivrait par un doctorat, car le sujet proposé fait partie d'un effort à long terme sur ces matériaux.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spalding and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818, (2002) [5] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803, (2017)
Antiferromagnets (AF) are currently in the limelight thanks to recent breakthroughs demonstrating the efficient effect of spin currents in interacting with the AF order parameter [1,2]. So far, due to the lack of net magnetization, controlling AF distributions has been rather challenging. Current-induced AF control also opens new perspectives in Terahertz magnetization dynamics. On the materials side, antiferromagnets represent the large majority of magnetic materials and some of them show several simultaneous coupled ordered phases. They are commonly called ‘multiferroics’. As a result, when the AF order is coupled to a net polarization, it may be controlled by applying a voltage. Multiferroic materials [3] are the focus of an intense research effort due to the significant technological interest of multifunctional materials as well as the rich fundamental physics stemming in the coupling of various order parameters.

Among all multiferroics, BiFeO3 (BFO) is a material of choice because its two ordering temperatures (ferroelectric FE and AF) are well above room temperature. In addition, a large magnetoelectric coupling has been demonstrated in single crystals as well as in thin films. One downside of multiferroics is that these FE/AF textures can be rather challenging to assess. Second harmonic generation, a non-linear optical approach, has proven to be a powerful and elegant way to image complex multiferroïc textures and to untangle the different contributions at play [4]. In CEA/SPEC, we are experienced in assessing ferroelectric and antiferromagnetic distributions with sub-micron resolution [5]. However, for most systems, such a resolution is not enough as AF domains are rather in the 200nm range.

We are now developing a new technique based on Scanning Near-field Optical Microscopy to optimize our spatial resolution. Our first results are very encouraging as we are reaching 20nm resolution and we just obtained our first second harmonic signal.

During this internship, the student will be trained in laser optics and will perform near-field non-linear optics experiments. Ideally, the internship would continue in a PhD as the proposed subject is part of a long-term effort on these materials.

[1] T. Jungwirth, X. Marti, P. Wadley and J. Wunderlich Nature Nanotech. 11, 231 (2016) [2] P. Wadley and al. Science 351, 587 (2016) [3] N. Spalding and M. Fiebig, Science, 309, 391 (2005) [4] M. Fiebig & al., Nature, 419, 818, (2002) [5] J.-Y. Chauleau & al., Nature Materials, 16, 803, (2017)
Compétences/Skills
Microscopie optique, lasers ultra-rapides, dépôts de couches d'oxydes
Optical microscopy, ultra-fast lasers, oxide deposition
L’irréversibilité est-elle une transition de phase en turbulence ?

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary
Le but de ce stage est d’essayer de prouver que l'irréversibilité observée en turbulence est une transition de phase. On effectuera des simulations numérique d'une équation modèle afin de caractériser cette transition, et de voir dans quel mesure elle permet d’expliquer l’anomalie de dissipation observée en turbulence.
Sujet détaillé/Full description
En 1845, James Prescott Joule montre expérimentalement que l'application d'une force de 1050 J sur une turbine mettant en mouvement une livre d'eau augmente la température du fluide d'un degré Fahrenheit. Ceci est une illustration d'un processus global se produisant dans la plupart des fluides, par lequel l'énergie mécanique (travail) est convertie en énergie thermique (chaleur), en accord avec la première loi de la thermodynamique régissant la variation de l'énergie totale du fluide dans un système fermé Δ
Magnétisme aux interfaces: effet du couplage spin-orbite.
Magnetism at interfaces: spin-orbit coupling effects.

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETEAU Cyrille
+33 1 69 08 38 56

Résumé/Summary
Au cours de ce stage nous étudierons à l'aide de méthodes de structure électronique le magnétisme d'interface entre un matériau magnétique et un matériau non magnétique (en général) à fort couplage spin-orbite.
During this internship we will study by means of electronic structure methods the magnetism between a ferromagnetic material and a non-magnetic one (generally) with strong spin-orbit.
Sujet détaillé/Full description
Le couplage spin-orbite est à l'origine de nombreux effets physiques et son influence sur les propriétés magnétiques des matériaux est au centre de nombreuses études expérimentales et théoriques.
Dans les systèmes où la symétrie d'inversion est absente des phénomènes exotiques apparaissent. C'est le cas par exemple de l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya d'interface par exemple qui favorise des structures magnétiques non-colinéaires dites structures chirales tels que les skyrmions. Même si l'origine de cette interaction est à peu près claire l'amplitude et même le signe de cette interaction reste très mal comprise et encore moins maitrisée.
L'objectif de cet stage sera de calculer cette interaction à l'aide de méthode de structure électronique que nous appliquerons à différentes interfaces afin d'élucider le rôle des paramètres physiques les plus pertinents.

Ce stage nécessite un goût pour la modélisation. Nous utiliserons (et développerons) des codes de structure électronique basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) et sur la méthode des liaisons fortes.
Spin-orbit coupling is at the origin of many physical effects and its influence on the magnetic properties of materials is at the center of many experimental and theoretical studies.
In systems where inversion symmetry is absent, exotic phenomena appear. This is the case of the Dzyaloshinskii-Moriya interface interaction for example, which favors non-collinear magnetic structures called chiral-structures such as skyrmions. Even if the origin of this interaction is more or less clear the amplitude and even the sign of this interaction remains very poorly understood and even less controlled.
The objective of this workshop will be to calculate this interaction using electronic structure methods that we will apply to different interfaces in order to elucidate the role of the most relevant physical parameters.

This internship requires a taste for modeling. We will use (and develop) electronic structure codes based on the Density Functional Theory (DFT) and on the tight-binding method.
Mots clés/Keywords
Modélisation, magnétisme, structure électronique
Modelling, Magnetism, electronic structure
Compétences/Skills
Utilisation et développement de codes informatiques Théorie de la fonctionnelle de la densité Méthode des liaisons fortes
Use and development of electronic structure codes Density Functional Theory Tight-Binding Method
Logiciels
Fortran, python
Magnétométrie ultra-sensible pour l’imagerie médicale.
Ultra-sensitive magnetometry for medical imaging.

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/03/2021

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PANNETIER-LECOEUR Myriam
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
Le but du stage est de mettre au point, fabriquer et tester des capteurs magnétique à très haute sensibilité co-intégrant un supraconducteur et un élément spintronique. L’application visée est l’imagerie par résonance magnétique à bas champ magnétique (10mT).
The goal of the internship is to develop, fabricate and test very high sensitivity magnetic sensors co-integrating a superconductor and a spintronic element. The targeted application is magnetic resonance imaging (MRI) at low magnetic field (10mT).
Sujet détaillé/Full description
Notre laboratoire a mis au point un dispositif appelé capteur mixte, associant une boucle de capture supraconductrice à un capteur à magnétorésistance géante (ou GMR) pour la mesure de signaux magnétiques extrêmement petits (quelques femtoteslas = 10-15T), comme ceux produits par le cœur ou le cerveau.
Nous avons démontré que ce type de dispositif pouvait détecter les signaux magnétiques dus à l’activité électrique cardiaque. Ce type de capteur peut être aussi très intéressant pour la mesure de signaux d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).
L’élément magnéto-résistif utilisé jusqu’à présent est une GMR métallique de type spin valve. Les récents progrès dans le domaine de l’électronique de spin ont permis de proposer des magnétorésistances tunnel (TMR) dont les performances sont augmentées en particulier à haute fréquence. D’autre part, des techniques de réduction du bruit à basse fréquence peuvent également être appliquées pour atteindre d’excellents niveaux de sensibilité.
Le but du stage est de participer à la mise au point de ces capteurs et de tester leurs performances pour l’IRM dans le cadre du projet ANR VLFMRI.
Our laboratory has developed a device called mixed sensor, combining a superconducting pick up loop with a giant magnetoresistance (or GMR) sensor for the measurement of extremely small magnetic signals (a few femtoteslas = 10-15T), such as those produced by the heart or the brain.
We have shown that this type of device can detect magnetic signals due to cardiac electrical activity. This type of sensor can also be very interesting for the measurement of Magnetic Resonance Imaging (MRI) signals.
The magneto-resistive element used so far is a metallic GMR of the spin valve type. Recent progress in the field of spin electronics has made it possible to propose tunnel magnetoresistors (TMR) whose performances are increased especially at high frequency. On the other hand, low-frequency noise reduction techniques can also be applied to achieve excellent sensitivity levels.
The aim of the internship is to participate in the development of these sensors and to test their performance for MRI in the framework of the ANR VLFMRI project.
Mots clés/Keywords
capteur magnétique, électronique de spin, IRM
magnetic sensor, spin electronics, MRI
Compétences/Skills
microfabrication, mesures de magnétotransport et de bruit à basse température, imagerie magnétique.
microfabrication, magnetotransport and noise measurements at low temperature, magnetic imaging.
Mesure et réduction des champs de fuite de capteurs magnétiques magnétorésistifs
Measurement and reduction of stay fields emitted by magnetoresistive magnetic sensors

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Pannetier-Lecoeur
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier les champs de fuite émis par des capteurs à magnétorésistance géante (GMR) en combinant des mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique, et d’optimiser la structure des capteurs afin de les implémenter dans des microscopes magnétiques haute sensibilité.
The aim of the internship is to study the stray fields emitted by giant magnetoresistance (GMR) sensors by combining magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements, and to optimize the structure of the sensors in order to implement them in high-sensitivity magnetic microscopes.
Sujet détaillé/Full description
Un capteur à magnétorésistance géante est composé schématiquement de deux couches magnétiques séparées par un espaceur (M1/E/M2). L’une des couches (M1) est libre de suivre le champ magnétique à détecter pendant que l’aimantation de l’autre couche (M2) est fixe. L’effet de magnétorésistance géante ou tunnel induit une variation de la résistance en fonction de l’angle entre les aimantations des 2 couches permettant ainsi une détection du champ par la variation de résistance.
Le but du stage est d’étudier et de réduire les champs de fuite émis par les aimantations des deux couches magnétiques. En effet ces champs de fuite peuvent créer des perturbations sur le système à étudier dans le cas de cartographie magnétique par exemple et aussi rendre les performances des GMR fortement dépendantes de leur taille.
Durant le stage plusieurs techniques seront utilisées afin de mesurer les champs de fuite des capteurs : mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique. Les champs de fuite des capteurs pourront être réduits en travaillant sur la structure et l’empilement des couches magnétiques qui est dans la pratique plus complexe que celui présenté schématiquement (M1/E/M2). Les dépôts seront réalisés par pulvérisation cathodique, puis les structures seront fabriquées par lithographie UV afin de pouvoir les caractériser.
A giant magnetoresistance sensor is schematically composed of two magnetic layers separated by a spacer (M1/E/M2). One of the layers (M1) is free to follow the magnetic field to be detected while the magnetization of the other layer (M2) is fixed. The effect of giant magnetoresistance or tunneling induces a variation of the resistance according to the angle between the magnetizations of the 2 layers allowing a detection of the field by the variation of resistance.
The aim of the internship is to study and reduce the stray fields emitted by the magnetizations of the two magnetic layers. Indeed these stray fields can create disturbances on the system to be studied in the case of magnetic mapping for example and also make the performance of GMRs strongly dependent on their size.
During the internship, several techniques will be used to measure the stray fields of the sensors: magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements. Sensor stray fields can be reduced by working on the structure and stacking of the magnetic layers, which is in practice more complex than the one presented schematically (M1/E/M2). The depositions will be made by sputtering, then the structures will be fabricated by UV lithography in order to be able to characterize them.
Mots clés/Keywords
Physique du solide- physique des matériaux
Solid state physics, material physics
Compétences/Skills
Pulvérisation cathodique, magnétotransport, magnétométrie VSM, cartographie magnétique (MFM)
Sputtering, magnetotransport, VSM magnetometry, magnetic mapping (MFM).
Microscopie magnétique locale par intégration de capteurs magnétorésistifs
Local magnetic microscopy with magnetoresitive sensor integration

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/06/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier l’effet de l’intégration de capteurs magnétiques magnétorésistifs dans des bras de levier flexibles de type AFM sur leurs performances. Les capteurs, destinés à être intégrés à un microscope magnétique, seront microfabriqués en salle blanche puis caractérisés en termes de magnétotransport et de bruit.
The aim of the internship is to study the magnetoresistive magnetic sensor integration in flexible cantilever on their performances. The sensors, destinated to be integrated in a scanning microscope, will be microfabricated in clean room and characterized in terms of magnetotransport and noise.
Sujet détaillé/Full description
Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers ou les nanoparticules, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif est 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 géantes, basées sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/√Hz.
Le but du stage sera d’étudier les performances des capteurs en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La réponse des capteurs devra être optimisée en fonction de l’application visée. Le stage aura donc un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de transport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit.
Les sondes développées seront ensuite intégrées dans le microscope afin de réaliser des images magnétiques.
In order to characterize the magnetic properties of materials such as steels or nanoparticles, an ultra-sensitive and quantitative magnetic microscope is being developed at the Nanomagnetism and Oxides Laboratory. This microscope combines a local scanning probe microscope of the AFM type (Atomic Force Microscope) and a magnetic sensor integrated in an AFM flexible cantilever. The magnetic sensors used are giant magnetoresistance sensors, based on spin electronics and capable of detecting magnetic fields in the order of nT/√Hz.
The aim of the internship will be to study the performance of the sensors in terms of magnetoresistance and noise when integrated into the flexible cantilever. The response of the sensors should be optimized according to the application. The internship will therefore have a microfabrication aspect in a clean room and a transport and noise measurement aspect, which will be carried out in the shielded room of the Ultra Low Noise platform.
The developed probes will then be integrated into the microscope to produce magnetic images.
Mots clés/Keywords
Capteur magnétique, microscopie sonde locale, magnétorésistance
Magnetic sensors, scanning probe microscopy, magnetoresistance
Compétences/Skills
Microscopie magnétique, micro fabrication, mesures magnéto-transport
Magnetic microscopy, microfabrication, magnetotransport measurements
Simulation de dynamique quantique électronique dans des matériaux bidimensionnels
Quantum-mechanical simulation of electron dynamics in two-dimensional materials

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02/04/2021

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SMOGUNOV Alexander
0169083032

Résumé/Summary
Le but du stage proposé est de développer un code général et efficace pour étudier théoriquement la dynamique électronique dans des systèmes bidimensionnels (2D), mono ou multicouches, comme le graphène ou des matériaux 2D magnétiques découverts récemment.
The goal of the internship is to develop a general and efficient code for theoretical study of electron dynamics in two-dimensional (2D) systems, single- or multi-layer, such as graphene or recently discovered magnetic 2D materials.
Sujet détaillé/Full description
Le but du stage proposé est de développer un code général et efficace pour étudier théoriquement la dynamique électronique dans des systèmes bidimensionnels (2D), mono ou multicouches, comme le graphène ou des matériaux 2D magnétiques découverts récemment [1]. Il s’agit d’un sujet de très grand intérêt d’un point de vue fondamental, mais également pour des applications technologiques (en spintronique, notamment). Le code s'appuiera sur un modèle réaliste de liaisons fortes à plusieurs orbitales ou les paramètres nécessaires seront extraits des calculs ab initio dans le cadre de la DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité). Comme outil principal de DFT nous allons utiliser le package Quantum-Espresso [2] – un des codes de structure électronique les plus précis à base d’ondes planes. Plusieurs approches de transport quantique basées sur la diffusion des fonctions d'ondes ou une méthode directe d'évolution temporelle de paquets d'ondes électroniques vont être implémentées dans le code. Il permettra d’étudier divers phénomènes intéressants tels que des interférences quantiques (dans des structures multicouches, par exemple), ou des effets d'impuretés atomiques et de champ magnétique sur la dynamique des électrons de différents spins (polarisation en spin – l'effet Hall de spin) dans le cadre d'une approche précise basée sur la mécanique quantique.

[1] M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo, K. S. Novoselov, Magnetic 2D materials and heterostructures, Nature Nanotechnology14, 408 (2019)
[2] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009)
The goal of the internship is to develop a general and efficient code for theoretical study of electron dynamics in two-dimensional (2D) systems, single- or multi-layer, such as graphene or recently discovered magnetic 2D materials [1] – the subject of great interest from both fundamental point of view but also for possible technological applications (in spintronics, in particular). The code will be based on realistic multi-orbital tight-binding model where needed parameters will be extracted from ab initio DFT (Density Functional Theory) calculations. The main DFT tool to be used is the Quantum-Espresso package [2] – one of the most accurate electronic structure codes based on plane wave expansion of electronic wave functions. Several approaches to quantum transport such as the wave function scattering method or the direct time evolution of electron wave packets will be explored and implemented in the code. Many interesting phenomena such as quantum interference (in multilayer structures, for example) or effect of impurity atoms and magnetic field on spin-dependent electron dynamics (spin separation – spin Hall effect) are going to be addressed based on accurate quantum-mechanical description.

[1] M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo, K. S. Novoselov, Magnetic 2D materials and heterostructures, Nature Nanotechnology14, 408 (2019)
[2] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009)
Mots clés/Keywords
transport quantique electronique, spintronique
quantum electron stransport, spintronics
Compétences/Skills
Théorie de la Fonctionnelle de la Densité; Modèle de liaisons fortes
Density Functional Theory; Tight-binding model
Logiciels
Quantum ESPRESSO; fortran;
Stochasticité spontanée et singularités en turbulence

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary
Le but de ce stage est prouver l'existence de la stochasticité spontanée en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialement conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Dans ce stage, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités
Sujet détaillé/Full description
On sait depuis Lorentz que les mouvements des fluides, notamment l’atmosphère et l’océan est chaotique : dans l’espace des phases, deux points initialement proches, s’écartent exponentialement, permettant ainsi de produire le fameux effet papillon. Ce qu’on sait moins, c’est ces même fluides sont victime d’ un phénomène encore plus violent appelé « stochasticité spontané », au cours duquel deux points de l’espace physique se séparent algébriquement de façon indépendante de leur distance initiale. Les mathématiciens suspectent que ce phénomène, observé dans des simulations numériques, est crée par l’existence de singularités dans les équations du mouvement, brisant ainsi l’unicité des solutions. Par contre, il n’existe à ce jour aucune démonstration expérimentale de ce phénomène, ni de preuve de son lien avec des singularités ou quasi-singularités.

Le but de ce stage est de combler ces lacunes en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialment conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Dans ce stage, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités.

La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l'existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7, 12466 (2016)).


Le cœur de ce stage est expérimental, mais des développements théoriques sur la physique hors-équilibre via le formalisme multi-fractal et les ondelettes pourront être effectués. Ce stage sera encadré par B. Dubrulle (CNRS). Le sujet du est à l’interface entre la mécanique des fluides, les mathématiques et la physique statistique. Le stage requiert une solide formation de physicien, en particulier en physique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation. Il pourra éventuellement déboucher sur une thèse sur une thématique voisine.
Transport ultra-rapide de spins à travers un antiferromagnétique
Ultrafast pure spincurrent transport through antiferromagnets

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2021

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VIRET Michel
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary
Le but du stage est d'étudier la propagation ultra-rapide de courants de spin au travers d'un antiferromagnétique isolant.
The aim of this internship is to study the ultra-fast spin current propagation through an insulating antiferromagnet.
Sujet détaillé/Full description
Les courants de spin purs suscitent actuellement un intérêt considérable en raison de leur possible application dans les futurs dispositifs spintroniques. La demande croissante de traitement de données pousse les nouvelles technologies à traiter plus rapidement de plus gros volumes. Ainsi, la manipulation ultrarapide du traitement de l’information est devenue un défi des technologies de l’information de demain. Les courants de spin purs présentent plusieurs avantages clés car ils peuvent maintenant être générés, propagés et détectés à une échelle de temps inférieure à la picoseconde et à des tailles nanométriques. On peut donc envisager la possibilité de composants spintroniques ultra-rapides et l'émergence de dispositifs spintroniques térahertz.

Plusieurs "briques" sont essentielles à ces dispositifs car les courants de spin doivent être générés, propagés, traités et finalement détectés. Ce projet vise à étudier les mécanismes sous-jacents des impulsions picoseconde et sub-picoseconde de courants de spin purs dans les isolateurs antiferromagnétiques. Les systèmes à l'étude sont composés de trois couches épitaxiales de haute qualité et d'épaisseurs nanométriques, synthétisées par dépôt laser pulsé. Le premier est l'injecteur de spin, c'est-à-dire une couche ferromagnétique (La2/3Sr1/3MnO3) qui, soumise à d'intenses impulsions laser femtosecondes, génère des impulsions de courants polarisés en spin [1]. La deuxième couche est l'antiferromagnetique isolant NiO, qui est la partie centrale de la structure et à travers laquelle des courants de spin purs peuvent se propager [2].

Malgré les explications proposées par plusieurs travaux théoriques [3], la nature exacte et les caractéristiques de la propagation du moment angulaire restent floues. En particulier, il convient de comprendre la dynamique combinée des courants de spin et de la résonance térahertz antiferromagnétique. C'est l'objectif principal de ce projet de stage où le courant polarisé en spin sera généré en impulsions ultra-rapides, propagé dans une couche AF et détectée dans une troisième couche de Pt (via le mécanisme d'effet Hall de spin inverse). Ce système à trois couches offre un terrain de jeu intéressant pour aborder les questions ouvertes concernant le transport et la manipulation des courants de spin ultra-rapides dans les antiferromagnétiques isolants.

Au cours de ce stage, l'étudiant réalisera des expériences optiques ultra-rapides à l'aide d'un laser femtoseconde afin d'évaluer la dynamique sub-picoseconde des systèmes magnétiques et la propagation des impulsions de spin. En outre, il / elle apprendra également à synthétiser des échantillons épitaxiaux de haute qualité par dépôt laser pulsé. Idéalement, le stage se poursuivra par un travail de doctorat.
Pure spin-currents are currently attracting a substantial interest due to their deep implication in future spintronic devices. The booming demand on data consumption pushes new technologies to be able to process bigger volumes of data at a faster rate. Thus, ultrafast manipulation of information processing has now become a challenge of tomorrow’s information technologies. Pure spin currents present several key advantages as they can now be generated, propagated and detected on the sub-picosecond timescale and at nano-sizes. One can therefore envision the possibility of ultrafast spintronic components and the emergence of terahertz spintronic devices.

Several “bricks” are crutial to these devices as spincurrents have to be generated, propagated processed and eventually detected. This project aims at studying the underlying mechanisms of picosecond and sub-picosecond pure spincurrent bursts in antiferromagnetic insulators. The systems under study are composed of three high quality epitaxial layers of nanometric thicknesses, grown by pulsed laser deposition. The first one is the spin injector, i.e. a ferromagnetic layer (La2/3Sr1/3MnO3) which, when subjected to intense femtosecond laser pulses, generates bursts of spin-polarized currents [1]. The second layer is the insulating antiferromagnet NiO, which is the central part of the structure and through which pure spincurrents can propagate [2]. Despite the explanations proposed by several theoretical works [3], the exact nature and characteristics of the spincurrent propopagation remains under debate. Especially, one should tackle the dynamical issue of spincurrents coherently matching the specific antiferromagnetic terahertz resonance.

This is the main objective of this internship project where spin-polarized current will be launched in ultra-fast bursts. Finally, a third Pt layer is used as a detector (via the inverse spin Hall effect mechanism). This trilayer system offers an interesting playground to tackle the opened questions regarding the transport and manipulation of ultrafast spincurrents in insulating antiferromagnets.

During this internship, the student will perform ultrafast time-resolved optical experiments using a femtosecond laser in order to assess the sub-picosecond dynamics of magnetic systems and the propagation of spincurrent bursts. In addition, he/she will also learn how to grow high quality epitaxial samples by pulsed laser deposition. Ideally, the internship will continue in a PhD work.

[1] Kampfrath et al. Nat. Nano. 8 256 (2013) [2] Hahn et al. EPL 108 57005 (2014)
[3] Khymyn et al. Phys. Rev. B 93 224421 (2016)
Compétences/Skills
Dépots par ablation laser pulsée, mesures optiques ultra-rapides
Pulsed laser deposition, ultra-fast optical measurements

 

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