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Atomic Force Microscope comparisons of Fossilized and Modern Brachiopods
Atomic Force Microscope comparisons of Fossilized and Modern Brachiopods

Spécialité

Sciences et technologies des matériaux

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

17-03-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

ROUNTREE Cindy
+33 1 69 08 26 55

Résumé/Summary

The IMAFMP team will analyze Brachiopods from the Palaeontological collections of the Muséum National d’Histoire Naturelle (MNHN, Paris) in collaboration with S. Charbonnier and D. Gaspard, MNHN.
The IMAFMP team will analyze Brachiopods from the Palaeontological collections of the Muséum National d’Histoire Naturelle (MNHN, Paris) in collaboration with S. Charbonnier and D. Gaspard, MNHN.

Sujet détaillé/Full description

The brachiopods, present since the Early Cambrian (more than 500 MA), are benthic marine invertebrates living attached to various kinds of substrates. These organisms possess a bivalved shell (ventral and dorsal). Within the subphylum, there are 3 series: (1) Rhynchonelliformea: This is the first series of the 3 subphyla, with a shell composed of low-magnesium calcite; (2) Craniiformea: The shells concerned are composed of higher amounts magnesium calcite; and (3) Linguliformea: These species possess a shell composed of apatite (calcium phosphate). Brachiopods still live in modern seas and oceans all over the world. Yet, the species diversity has decreased. Thus, brachiopods remain a true witness of (palaeo)environments. Figure 1 depicts the process of secretion of the shell, which has 2, or even 3, layers. From the figure, one can see microstructural organization from the generative zone of the mantle tissue.
When working on fossils shells, it is important to analyze living specimens in parallel to understand what is susceptible to modifications during fossilization. The Peak-Force Atomic Force Microscopy (PF-AFM) allows us to reach the nano-level of the hierarchical architecture of the shell complementing Scanning Electron Microscopy observations (SEM) (Gaspard & Nouet, JSB, 2016).
The brachiopods, present since the Early Cambrian (more than 500 MA), are benthic marine invertebrates living attached to various kinds of substrates. These organisms possess a bivalved shell (ventral and dorsal). Within the subphylum, there are 3 series: (1) Rhynchonelliformea: This is the first series of the 3 subphyla, with a shell composed of low-magnesium calcite; (2) Craniiformea: The shells concerned are composed of higher amounts magnesium calcite; and (3) Linguliformea: These species possess a shell composed of apatite (calcium phosphate). Brachiopods still live in modern seas and oceans all over the world. Yet, the species diversity has decreased. Thus, brachiopods remain a true witness of (palaeo)environments. Figure 1 depicts the process of secretion of the shell, which has 2, or even 3, layers. From the figure, one can see microstructural organization from the generative zone of the mantle tissue.
When working on fossils shells, it is important to analyze living specimens in parallel to understand what is susceptible to modifications during fossilization. The Peak-Force Atomic Force Microscopy (PF-AFM) allows us to reach the nano-level of the hierarchical architecture of the shell complementing Scanning Electron Microscopy observations (SEM) (Gaspard & Nouet, JSB, 2016).

Mots clés/Keywords

Microscope à force atomique, Paléo-environnements et taphonomie
Atomic Force Microscopy, Brachiopods

Compétences/Skills

Microscope à force atomique
Atomic Force Microscopy

Logiciels

Matlab, Nanoscope

Détection de cellules cancéreuses et de bactéries à l'aide d'un laboratoire sur puce à base de capteurs GMR

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20-03-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

JASMIN-LEBRAS Guenaelle
+33 1 69 08 65 35

Résumé/Summary

Le développement de biopuces à base de capteurs GMR est un projet de biotechnologie pour la santé pour l’innovation diagnostique et thérapeutique. Il est basé sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs . Le véritable défi est d’obtenir un outil capable de détecter rapidement, de façon simple, sensible et spécifique, différents objets biologiques rares en réponse à un besoin d’urgence de diagnostic clinique et/ou de biosécurité

Sujet détaillé/Full description

Le projet repose sur le principe fondamental des capteurs GMR (capteurs à magnétorésistance géante) qui permettent une détection locale de très faibles champs magnétiques. En attachant des billes magnétiques à des objets biologiques (cellules, bactéries, protéines), il est possible de détecter un à un ces objets labellisés lors de leur passage au-dessus du capteur.
Au cours de son stage, en collaboration avec une doctorante, l'étudiant optimisera et testera la biopuce constituée de capteurs GMR fabriqués au LNO et d'un canal microfluidique qu'il développera en salle blanche dont la hauteur varie en fonction de la taille des objets biologiques étudiés. Le marquage des objets biologiques a lieu au LERI(Laboratoire d'Etudes et de Recherches en Immunoanalyse). Au sein de ce laboratoire avec lequel nous collaborons, ll greffera sur des billes magnétiques des anticorps spécifiques de la cible à détecter et les incubera avec l’échantillon biologique d’intérêt. L’échantillon est ensuite injecté dans le canal microfluidique. Il optimisera la détection simultanée avec plusieurs capteurs ainsi que la sensibilité et la spécificité des tests réalisées sur des cellules cancéreuses mais aussi sur des bactéries. Il apprendra à maîtriser les différents paramètres physiques et biologiques mis en jeu. L'étudiant devra également comprendre et analyser les résultats obtenus à l'aide de simulations effectuées avec des logiciels de code ou des programmes existants au laboratoire.
Techniques utilisées au cours du stage :


Mots clés : Spintronique, microfluidique, biotechnologie, électronique

Mots clés/Keywords

Magnétisme

Compétences/Skills

Techniques de salle blanche, technique de dépôt par MBE, mesures magnétiques. Préparation d'échantillons biologiques

Etude de propriétés magnétiques des matériaux à l’aide de microscope magnétique et par simulations

Spécialité

CHIMIE

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Le but du stage est de combiner des mesures d'images magnétiques réalisées avec un microscope innovant et des simulations afin de développer un outil d'analyse des propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers.

Sujet détaillé/Full description

Le Département d'Imagerie et Simulation pour le Contrôle (DISC) du CEA/List développe des méthodes de contrôle non destructif (CND) qui consistent à détecter des défauts dans les matériaux pour des secteurs industriels tels que l'aéronautique, la sidérurgie, le pétrole, le nucléaire. Les activités du laboratoire d'Instrumentation et Capteurs portent sur l’étude de propriétés magnétiques de matériaux ferromagnétiques par contrôle non destructif.
Le laboratoire de nanomagnétisme et oxyde (LNO) du SPEC possède des compétences, outils et expertises sur la caractérisation et le développement de capteurs magnétiques magnétorésistifs ultrasensibles pour diverses applications, allant de la biologie aux applications grande distribution comme l’automobile en passant par la caractérisation de matériaux magnétiques.
Le stage proposé s'inscrit dans une collaboration entre ces deux laboratoires et qui vise à l’analyse de propriétés magnétiques de matériaux comme les aciers. Dans ce cadre, un microscope innovant ultrasensible et quantitatif est en cours de développement. Ce microscope est basé sur la combinaison d’un capteur magnéto-résistif et d’un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope).
La première partie de stage consistera dans les mesures des champs magnétiques de fuite émis par la surface de matériaux ferromagnétiques à l’aide du nouveau microscope pour avoir les données d’entrées pour le modèle théorique développé au DISC.
La deuxième partie sera dédiée à l’évaluation par simulations des distributions du champ magnétique dans les matériaux ferromagnétiques pour comprendre les résultats expérimentaux.

Mots clés/Keywords

Physique du solide, Physique des matériaux

Compétences/Skills

Matériaux ferromagnétiques Microscope à sonde locale Capteurs magnétiques

Logiciels

Matlab

Imagerie PEEM des parois de domaines in-situ sous contrainte mécanique
PEEM imaging of ferroelectric domain walls under in-situ mechanical stress

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-01-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETT Nick
+33 1 69 08 32 72

Résumé/Summary

l'objectif du stage est d’étudier ce couplage in-situ par l’imagerie en microscopie à électrons en photoémission (PEEM) des parois de domaines ferroélectriques à la surface de BaTiO3.
The aim of the internship is to carry out in-situ studies of the electro-mechanical coupling using photoemission electron microscope (PEEM) imaging of domain walls at the surface of BaTiO3.

Sujet détaillé/Full description

Dans un matériau ferroïque, les parois séparent domaine avec les paramètres d’ordre différents. L’ingénierie des parois de domaines (DWs) dans les matériaux ferroïques est une route où la paroi plutôt que le matériau de volume devient l’élément actif. Le défi est alors de prédire et de contrôler la fonctionnalité des DW à l’échelle nanométrique [1].
Dans l’oxyde BaTiO3 les domaines ferroélectriques peuvent être orientés à 90° où à 180° l’un par rapport à l’autre. Dans le cas d’une orientation à 90° les parois sont également ferroélastiques, c’est-à-dire, séparant des domaines avec des états de contrainte différents. Cela permet d’envisager un couplage électromécanique entre l’application d’un stress mécanique et la réponse ferroélectrique du matériau.
Notre objectif est d’étudier ce couplage in-situ par l’imagerie en microscopie à électrons en photoémission (PEEM) [2] des DWs à la surface de BaTiO3.
Un système de contrainte mécanique sera utilisé pour appliquer un stress uniforme dans le plan pour contrôler la densité et l’ordonnancement de parois de domaines dans les monocristaux ferroélectriques et ferroélastiques, principalement le BaTiO3.
Le stage impliquera de caractériser les performances en laboratoire du système de contrainte. L’ordonnancement des domaines et des parois de domaines sera imagé par microscopie optique. Ensuite, le système micromécanique de contrainte sera introduit sous vide (10-10mbar) dans le PEEM et des mesures complémentaires seront faites in-situ pour valider le dispositif expérimental.

[1] G. Catalan, J. Seidel, R. Ramesh, Rev. Mod. Phys. 84, 119 (2012)
[2] Full field electron spectromicroscopy applied to ferroelectric materials
N. Barrett, J. E. Rault, J. L. Wang, C. Mathieu, A. Locatelli, T. O. Mentes, M. A. Niño, S. Fusil, M. Bibes, A. Barthélémy, D. Sando, W. Ren, S. Prosandeev, L. Bellaiche, B. Vilquin, A. Petraru, I. P. Krug and C. M. Schneider, J. Appl. Phys. 113, 187217 (2013).
In ferroic materials domain walls (DWs) separate domains with different order parameters. Domain wall engineering in ferroic materials is one possible route where the DW rather than the bulk material becomes the active element. The challenge then is to predict and control the nanoscale DW functionality [1].
In BaTiO3 the ferroelectric polarizations of adjacent domains can be oriented at 90° or 180° with respect to one another. In the case of 90° orientation the domain wall is also ferroelastic, separating domains under different mechanical strain. This allows envisaging electro-mechanical coupling between applied mechanical stress and the ferroelectric response of the material.
Our aim is to carry out in-situ studies of the electro-mechanical coupling using photoemission electron microscope (PEEM) imaging [2] of DWs at the surface of BaTiO3.
A micro-engineered system for the application of mechanical stress will be used to control the density and structure of the domains and DWs in single crystal ferroelectric and ferroelastic materials, principally BaTiO3.
The internship requires initial characterization in the laboratory the performance of the system for applying stress. Domain ordering and DWs will be imaged using optical microscopy. Then, the micro-mechanical system will be mounted in the PEEM analysis chamber under ultra-high vacuum (10-10 mbar) and first complementary measurements carried out to validate the experimental set-up.

[1] G. Catalan, J. Seidel, R. Ramesh, Rev. Mod. Phys. 84, 119 (2012)
[2] Full field electron spectromicroscopy applied to ferroelectric materials
N. Barrett, J. E. Rault, J. L. Wang, C. Mathieu, A. Locatelli, T. O. Mentes, M. A. Niño, S. Fusil, M. Bibes, A. Barthélémy, D. Sando, W. Ren, S. Prosandeev, L. Bellaiche, B. Vilquin, A. Petraru, I. P. Krug and C. M. Schneider, J. Appl. Phys. 113, 187217 (2013).

Mots clés/Keywords

Photoémission, PEEM, ferroélectrique, surfaces
Photoemission, PEEM, ferroelectrics, surfaces

Compétences/Skills

Microscopie optique Microscopie à électrons en photoémission Diffraction des électrons lents
Optical microscopy Photoemission electron microscopy Low energy electron diffraction

Logiciels

Igor Pro ImageJ

Vers le calcul quantique hybride : des circuits supraconducteurs aux spins nucléaires
Towards hybrid quantum computing: from superconducting circuits to nuclear spins

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

21-03-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FLURIN Emmanuel
+33 1 69 08 04 93

Résumé/Summary

Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à utiliser des impuretés piégées dans les solides comme des bits quantiques pouvant être intégrés comme mémoire de très haute fidélité pour les processeurs quantiques supraconducteurs.
The internship is part of a research project aiming at using impurities trapped in solids as quantum bits integrated as a very high fidelity memory in superconducting quantum processors.

Sujet détaillé/Full description

Les défauts cristallins du silicium et du diamant peuvent être appréhendés comme des ions naturellement piégés dans un environnement cristallin inerte proche du vide. Du fait de leur immobilité et de leur isolement dans la maille cristalline, les spins électroniques et nucléaires de ces ions présentent d’excellents temps de cohérence, allant de quelques secondes pour les électrons jusqu’à quelques heures pour les noyaux. Ces systèmes sont ainsi d’excellents candidats pour encoder de l’information quantique.
D’autre part, les circuits supraconducteurs constituent une des plateformes technologiques les plus abouties du calcul quantique. Les bits quantiques sont encodés dans des oscillateurs électromagnétiques conçus sur mesure, ils sont facilement contrôlables et intégrables mais leur temps de cohérence ne dépasse pas quelques dizaines de microsecondes et leur fabrication est peu reproductible, ce qui constitue une des barrières pour le développement de processeurs de plus de 10 qubits.
Notre groupe, pionnier des circuits supraconducteurs, est engagé dans un projet de recherche de long terme, qui vise à interfacer ces circuits avec le spin électronique et nucléaire d’uniques défauts cristallins et ainsi d’allier la robustesse des éléments naturels avec l’intégrabilité des circuits artificiels.

Le stage s’appuie sur des résultats récents de notre équipe démontrant le couplage de circuits supraconducteurs à un faible nombre de spins. Il s’agira d’optimiser le couplage entre le circuit et un unique spin piégé dans une matrice de diamant ou de silicium afin de réussir à détecter l’unique photon micro-onde généré par la désexcitation du spin électronique. Ce photon unique sera capté au moyen d’un qubit supraconducteur de type transmon, élément clé du processeur quantique supraconducteur, jetant ainsi les bases de cette nouvelle architecture.

The crystalline defects of silicon and diamond can be apprehended as naturally trapped ions in an inert crystalline environment close to vacuum. Due to their immobility and their isolation in the crystal lattice, the electronic and nuclear spins of these ions exhibit excellent coherence times, ranging from a few seconds for electrons to a few hours for nuclei. These systems are thus excellent candidates for encoding quantum information. On the other hand, superconducting circuits constitute one of the most successful technological platforms for quantum computation. Quantum bits are encoded in artificial electromagnetic oscillators, they are easily controllable and integrable. However their coherence time does not exceed a few tens of microseconds and their manufacture is not reproducible, this is one of the main barriers toward the development of processors of more than 10 qubits.

Our group, a pioneer of superconducting circuits, is engaged in a long-term research project which aims at interfacing circuits with the electronic and nuclear spin of a unique crystal defect and thus combine the robustness of natural elements with the integrability of artificial circuits. The internship is based on recent results [1,2] of our team demonstrating the coupling of superconducting circuits with a low number of spins. The goal will be first to optimize the coupling between the circuit and a single spin trapped in diamond or silicon lattice and second to successfully detect the unique microwave photon generated by the de-excitation of the electron spin. This single photon will be captured based on a superconducting qubit of the transmon type, a key element of the superconducting quantum processor, thus laying the foundations for this new architecture.

[1] A. Bienfait et al., Nature Nanotechnology (2015)
[2] A. Bienfait et al., Nature (2016)

Mots clés/Keywords

Circuit supraconducteur
Superconducting circuits

Compétences/Skills

Ce stage expérimental sera co-encadré par deux chercheurs permanents experts du domaine, conjointement avec un étudiant en thèse travaillant sur le sujet. Il constituera une solide introduction aux technologies quantiques supraconductrices et à la physique des défauts dans les solides, comprenant la conception et fabrication de circuits quantiques ainsi que la mesure micro-onde aux températures cryogéniques (10 mK).
Methods and techniques: This experimental internship will be co-supervised by two permanent researchers who are experts in the field, together with a PhD student working on the subject. It will provide a solid introduction to superconducting quantum technologies and the physics of defects in solids, including defects optical characterization, quantum circuit design and nanofabrication as well as microwave measurement at cryogenic temperatures (10 mK).

 

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