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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

Caractérisation electronique de l'interface spintronique (La,Sr)MnO3/SrTiO3
Electronic characterization of the (La,Sr)MnO3/SrTiO3 spintronic interface

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-09-2019

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 réaliser une étude du transport électronique à travers la jonctions tunnel composée de LSMO dans le but de mieux comprendre le rôle de l'interface électrode/barrière dans les propriétés de transport dépendante du spin dans ces dispositifs.
The aim of the internship is to lead a comprehensive study of electronic transport through manganite-based tunnel junctions in order to better understand the role of the electrode/barrier interface on the spin-dependent transport properties of these devices.

Sujet détaillé/Full description

Le but du stage est de réaliser une étude du transport électronique à travers la jonctions tunnel composée de LSMO dans le but de mieux comprendre le rôle de l'interface électrode/barrière dans les propriétés de transport dépendante du spin dans ces dispositifs.
The control of functional properties such as spin-dependent transport is a crucial goal in spintronics. The unique properties of oxide thin films and their heterostructures make them very attractive for achieving this goal. For instance, magnetic tunnel junctions (MTJ) based on the mixed-valence manganite La2/3Sr1/3MnO3 (LSMO) exhibit very high tunnel magneto-resistance (TMR) ratios due to the half-metallic character of LSMO, with record TMR values reported for LSMO / SrTiO3 (STO) / LSMO junctions. However, open questions remain on the reproducibility of large TMR ratios, the type of transport and the link between properties and defects, interface and barrier quality. The landscape of the LSMO density of states (DOS), its dependence versus electric field, the chemical roughness at the interface with the STO barrier, are ill-known factors which can all affect the TMR and that will be investigated during this internship.
LSMO-based MTJ were fabricated and the chemical and electronic profiles of the LSMO/STO interface were characterized in operando, i.e. under an applied voltage using Hard X-ray PhotoEmission Spectroscopy (HAXPES) at the SOLEIL synchrotron (GALAXIES beamline). A systematic study of the electronic transport through the same junctions will be performed during the internship to complement the HAXPES results and thus consolidate the physical understanding of these devices. A study of the electronic noise could also be done to study the intrinsic transport in the structures. Other phenomena appearing under high electric field, such as oxygen vacancy migration and Mn valence state change will also be studied.
The ultimate goal of this project between CEA-SPEC and C2N is to design, fabricate and test new magnetic junctions with optimized properties for sensing applications.

Mots clés/Keywords

Physique des solides, physique des matériaux
Solid state physics, materials

Compétences/Skills

transport électronique
electronic transport

Courants à haute polarisation de spin dans des jonctions à molécule unique
Highly spin-polarized electron transport in single molecule nanojunctions

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

26-04-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

SMOGUNOV Alexander
0169083032

Résumé/Summary

Le stage est dédié à l'étude théorique du transport électronique polarisé en spin dans les nanojonctions constituées d'une molécule unique connectée à deux électrodes ferromagnétiques. Un accent particulier serait mis sur la possibilité d'optimiser et de piloter le degré de polarisation de spin du courant électrique et des propriétés de magnétorésistance.
We will study theoretically spin-polarized electronic transport in molecular nanojunctions made of a single molecule connecting two ferromagnetic electrodes. The particular stress will be made on the possibility to optimize and to control the degree of spin-polarization of electric current and magnetoresistance properties of a junction.

Sujet détaillé/Full description

Le stage est dédié à l'étude théorique du transport électronique polarisé en spin dans les nanojonctions constituées d'une molécule unique connectée à deux électrodes ferromagnétiques. Un accent particulier serait mis sur la possibilité d'optimiser et de piloter le degré de polarisation de spin du courant électrique et des propriétés de magnétorésistance – des concepts très importants en spintronique moléculaire [1] – par un choix judicieux de molécules ou par différents facteurs externes tels que la température (du fait de l'interaction entre électrons et vibrations moléculaires), un champ électrique (grille électrostatique) ou la tension mécanique sur la molécule exercée par des électrodes. Des méthodes ab initio de DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité) en combinaison avec des calculs modèles, basés sur la description quantique du transport électronique, vont être utilisés pendant le stage en s’appuyant sur des codes de calcul développés dans le groupe.

[1] A. R. Rocha et al., “Towards molecular spintronics”, Nature Mater. 4, 335(2005); S. Sanvito, “Molecular spintronics”, Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011).
We will study theoretically spin-polarized electronic transport in molecular nanojunctions made of a single molecule connecting two ferromagnetic electrodes. The particular stress will be made on the possibility to optimize and to control the degree of spin-polarization of electric current and magnetoresistance properties of a junction – very important in the field of molecular spintronics [1] – by a clever choice of a molecule itself or by some external factors such as a temperature (via interaction of electrons with molecule vibrations), an electric field (a gate), or a mechanical strain exerted on the molecule by electrodes. The combination of ab initio DFT (Density Functional Theory) electronic structure methods and model calculations, based on quantum-mechanical description of electron transport, will be used during the project employing the codes developped in the group.

[1] A. R. Rocha et al., “Towards molecular spintronics”, Nature Mater. 4, 335(2005); S. Sanvito, “Molecular spintronics”, Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011).

Mots clés/Keywords

Transport électronique; spintronique moléculaire; structure électronique
Electron transport; molecular spintronics; electronic structure

Compétences/Skills

Mécanique quantique; Théorie de la Fonctionnelle de la Densité; Modèle des liaisons fortes; Fonctions de Green hors équilibre
Quantum mechanics; Density Functional Theory; Tight-binding models; Non-equilibrium Green's functions

Logiciels

Fortran; Quantum-ESPRESSO; gmgrace, avogadro, xcrysden, gnuplot

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

03-06-2019

Durée

5 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

Durée du stage (de 3 à 6 mois)
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, microfluidique

Compétences/Skills

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

Dynamique de l'aimantation dans des nanostructures magnétiques
Magnetization dynamics in magnetic nanostructures

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

25-03-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DE-LOUBENS Gregoire
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary

Ce stage expérimental consistera à étudier les régimes linéaires et non-linéaires de la dynamique de l'aimantation dans des nanostructures individuelles. Il s'effectuera dans le cadre d'un projet ANR dont le but est de démontrer la manipulation d'ondes de spin cohérentes et de forte amplitude dans des dispositifs combinant des concepts de la magnonique et de l'électronique de spin. Ce travail se poursuivra par une thèse financée.
The aim of this experimental internship is to study the linear and nonlinear regimes of magnetization dynamics in individual nanostructures. This will take place in the framework of an ANR project whose goal is to demonstrate the manipulation of high amplitude coherent spin waves in devices combining concepts of magnonics and spintronics. A funded PhD thesis will follow.

Sujet détaillé/Full description

Un des buts actuels de l'électronique de spin est de développer une technologie de l'information durable basée sur le transport de purs courants de spin. Pour cela, une approche prometteuse consiste à marier spintronique et magnonique afin d'exciter, contrôler et détecter des ondes de spin, ou leurs quanta nommés magnons, de fréquences et longueurs d'ondes caractéristiques du gigahertz au térahertz et du micromètre au nanomètre, respectivement [1]. Dans ce contexte, le YIG, un grenat d'yttrium fer ferrimagnétique isolant, est un matériau de choix car le temps de vie des ondes de spin y est particulièrement long. En outre, ce dernier peut être contrôlé par un courant électrique injecté dans une couche de platine adjacente grâce au couple de transfert de spin [2,3]. Ce couple d'origine spin-orbite permet également de générer des auto-oscillations de l'aimantation [4]. Il est maintenant crucial de comprendre et contrôler les propriétés non-linéaires de ces dispositifs hybrides. Celles-ci découlent directement de l'équation du mouvement de l'aimantation et sont au cœur de leur fonctionnement puisqu'elles gouvernent le type de dynamique généré par le couple spin-orbite [5,6]. Pour contrôler le spectre d'excitations et les propriétés non-linéaires, il est possible de jouer sur la nanostructuration du film magnétique [7] et sur le matériau lui-même, en particulier en contrôlant son anisotropie magnétique perpendiculaire [8]. L'objet du stage sera donc de mesurer le spectre d'ondes de spin et les propriétés non-linéaires de nanostructures de YIG dopé au Bismuth. Pour cela, on s'appuiera sur un outil unique développé au laboratoire, un microscope de force à résonance magnétique (MRFM). Cette technique de champ proche très sensible utilise une sonde magnétique placée à l'extrémité d'un levier mécanique très souple pour détecter la dynamique de l'aimantation dans des nanostructures individuelles [9].

[1] A. Chumak, et al., Magnon spintronics, Nature Phys. 11, 453-461 (2015)
[2] A. Hamadeh, et al., Full Control of the Spin-Wave Damping in a Magnetic Insulator Using Spin-Orbit Torque, Phys. Rev. Lett. 113, 197203 (2014)
[3] M. Evelt, et al., High-efficiency control of spin-wave propagation in ultra-thin yttrium iron garnet by the spin-orbit torque, Appl. Phys. Lett. 108, 172406 (2016)
[4] M. Collet, et al., Generation of coherent spin-wave modes in yttrium iron garnet microdiscs by spin-orbit torque, Nature Commun. 7, 10377 (2016)
[5] V. Demidov, et al., Direct observation of dynamic modes excited in a magnetic insulator by pure spin current, Sci. Rep. 6, 32781 (2016)
[6] M. Evelt, et al., Emission of coherent propagating magnons by insulator-based spin-orbit torque oscillator, arXiv:1807.09976
[7] C. Hahn, et al., Measurement of the intrinsic damping constant in individual nanodisks of Y3Fe5O12 and Y3Fe5O12|Pt, Appl. Phys. Lett. 104, 152410 (2014)
[8] L. Soumah, et al., Ultra-low damping insulating magnetic thin films get perpendicular, Nature Commun. 9, 3355 (2018)
[9] O. Klein, et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
One current goal of spintronics is the development of a sustainable information technology based on the transport of pure spin currents. For this, a promising approach is to combine spintronics and magnonics to excite, control and detect spin waves, or their quanta magnons, with characteristic frequencies and wavelengths from GHz to THz and from µm to nm, respectively. In this context, YIG, an insulating yttrium iron garnet, is a material of choice because of its particularly long spin-wave relaxation time. Moreover, the latter can be controlled by an electrical current injected in an adjacent layer of platinum thanks to spin transfer torque [2,3], This torque of spin-orbit origin also allows the generation of auto-oscillations of the magnetization [4]. It is now timely to understand and control the nonlinear properties of these hybrid devices. These nonlinear properties, directly inherited for the equation of motion of magnetization, are crucial since they govern the type of dynamics generated by spin-orbit torque [5,6]. To control the excitation spectrum and the nonlinear properties, it is possible to nanopattern the magnetic film [7] and to engineer the properties of the material itself, in particular its perpendicular magnetic anisotropy [8]. The aim of this internship will thus be to measure the spin wave spectrum and the nonlinear properties of Bismuth doped YIG nanostructures. For this, a unique home made equipment, a magnetic resonance force microscope (MRFM), will be used. This very sensitive near field microscopy technique uses a magnetic probe attached at the end of a very soft mechanical cantilever to detect magnetization dynamics in individual nanostructures [9].

[1] A. Chumak, et al., Magnon spintronics, Nature Phys. 11, 453-461 (2015)
[2] A. Hamadeh, et al., Full Control of the Spin-Wave Damping in a Magnetic Insulator Using Spin-Orbit Torque, Phys. Rev. Lett. 113, 197203 (2014)
[3] M. Evelt, et al., High-efficiency control of spin-wave propagation in ultra-thin yttrium iron garnet by the spin-orbit torque, Appl. Phys. Lett. 108, 172406 (2016)
[4] M. Collet, et al., Generation of coherent spin-wave modes in yttrium iron garnet microdiscs by spin-orbit torque, Nature Commun. 7, 10377 (2016)
[5] V. Demidov, et al., Direct observation of dynamic modes excited in a magnetic insulator by pure spin current, Sci. Rep. 6, 32781 (2016)
[6] M. Evelt, et al., Emission of coherent propagating magnons by insulator-based spin-orbit torque oscillator, arXiv:1807.09976
[7] C. Hahn, et al., Measurement of the intrinsic damping constant in individual nanodisks of Y3Fe5O12 and Y3Fe5O12|Pt, Appl. Phys. Lett. 104, 152410 (2014)
[8] L. Soumah, et al., Ultra-low damping insulating magnetic thin films get perpendicular, Nature Commun. 9, 3355 (2018)
[9] O. Klein, et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)

Mots clés/Keywords

dynamique de l'aimantation; nanomagnétisme; spintronique; magnonique
magnetization dynamics; nanomagnetism; spintronics; magnonics

Compétences/Skills

microscopie à force magnétique ; techniques hyperfréquences
magnetic force microscopy; high frequency techniques

Logiciels

python

Elaboration de films minces d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par epitaxy par jets moléculaire assistée de plasma atomique
Elaboration of oxinitride BaTi(OxN1-x)3 thin films by atomic plasma assisted molecular beam

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2019

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARBIER Antoine
+33 1 69 08 39 23

Résumé/Summary

L'objectif de ce stage est d’élaborer des couches minces epitaxiées d’oxynitrures BaTi(OxN1-x)3 par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasmas azote et oxygène atomiques. On procédera par dopage de films de BaTiO3 dont les conditions de croissance sont déjà parfaitement maitrisées au laboratoire CEA/SPEC. L’étude sera complétée par des mesures de propriétés macroscopiques comme la ferroélectricité et/ou la photoélectrolyse de l’eau. Des mesures complémentaires pourront être envisagées au synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to grown thin BaTi(OxN1-x)3 oxinitride thin films by oxygen and nitrogen plasma assisted molecular beam epitaxy. We will proceed by nitrogen doping of BaTiO3 for which the growth conditions are perfectly mastered in the CEA/SPEC laboratory. The study will be completed by macroscopic characterizations of the ferroelectric and/or photoelectrolytic behaviors. Complementary measurements may be realized at synchrotron-SOLEIL.

Sujet détaillé/Full description

Les oxynitrures constituent une classe de composés présentant un large spectre de propriétés exploitables pour une grande variété d’applications allant des absorbeurs UV destinés à pérenniser des composés organiques fragiles, aux semiconducteurs adaptés aux dispositifs photovoltaïques, photocatalytiques et de photoélectrolyse en passant par des composés magnétiques. L’insertion d’azote, moins électronégatif que l’oxygène, dans le réseau d’un oxyde engendre une augmentation du caractère covalent des liaisons chimiques. Cela se traduit par une diminution de la valeur du gap optique Eg et donc par une modification des propriétés d’absorption du composé ainsi que par le dopage par des porteurs de charges permettant d’envisager de nouvelles propriétés de transport. La réalisation de films minces monocristallins d’oxynitrures est cependant délicate et a été peu étudiée à ce jour.
Nous allons explorer la possibilité de moduler les propriétés de couches minces d’oxydes de titanate de Baryum, BaTiO3, ferroélectriques dont nous maitrisons déjà la croissance par l’adjonction d’un plasma azote durant la croissance. Les taux de dopage resteront faibles. Idéalement, on s’attachera à quantifier le ratio entre la perte de ferroélectricité et le gain de l’activité en tant que photoanode dans la photoelectrolyse de l’eau. On pourra envisager des mesures en diffraction des rayons X pour caractériser le matériau élaboré sur la ligne DiffAbs au synchotron SOLEIL.

Contacts : BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Autres chercheurs impliqués : H. Magnan, J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL)
Oxynitrides are a class of compounds with a broad spectrum of exploitable properties for a wide variety of applications ranging from UV absorbers (to sustain fragile organic compounds), to semiconductors (suitable for photovoltaic), photocatalytic and photoelectrolysis devices to magnetic compounds. The insertion of nitrogen, less electronegative than oxygen, into the lattice of an oxide causes an increase in the covalent nature of the chemical bonds. This leads to a decrease of the optical gap, Eg, value and thus in a modification of the absorption properties of the compound as well as doping by charge carriers making it possible to envisage new transport properties. The production of single crystalline thin oxynitride films is however challenging and has been little studied to date.
We will explore the possibility of modulating the properties of thin films of barium titanate, BaTiO3, a ferroelectric oxide. Its growth conditions are already well mastered and we will proceed by the addition of nitrogen plasma during growth. Doping rates will remain low. Ideally, the ratio between the loss of ferroelectricity and the gain of activity as a photoanode in the photoelectrolysis of water will be quantified. X-ray diffraction measurements may be used to characterize the material developed on the DiffAbs line at the SOLEIL synchotron.

Contacts: BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr ; Other researchers: H. Magnan, J.-B. Moussy et C. Mocuta (Synchrotron-SOLEIL)

Mots clés/Keywords

Oxynitrures, épitaxie par jets moléculaires, ferroélectricité, synchrotron
Oxinitrides, molecular beam epitaxy, ferroélectricité, synchrotron

Compétences/Skills

Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires. On utilisera la diffraction des électrons rapides (RHEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la photoémission des niveaux de coeur (XPS), la microscopie en champ proche (PFM), la microscopie électronique de basse énergie (LEEM), et éventuellement la diffraction des rayons X sur la ligne DIFFABS.
The candidate will address the UHV techniques associated with the growth by molecular beam epitaxy. The techniques that will be used are Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), Photoemission core level spectroscopy (XPS), Piezo Force Microscopy (PFM), Low Energy Electron microscopy (LEEM) and eventually X-ray diffraction on the DIFFABS beamline of synchrotron SOLEIL.

Etude de microstructures de composites multiferroïques artificiels MFe2O4/BaTiO3 (M=Co, Ni, Mn)
Study of artificial multiferroic composites MFe2O4/BaTiO3 (M=Co, Ni, Mn)

Spécialité

Physique des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-04-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARBIER Antoine
+33 1 69 08 39 23

Résumé/Summary

L'objectif de ce stage est d’étudier des inclusions de ferrite (MFe2O4, M=Co ,Ni ,Mn) ferrimagnétique dans une matrice ferroélectrique de BaTiO3. Nous nous appuierons sur l'expertise acquise ces dernières années au laboratoire CEA/SPEC dans la réalisation par épitaxie par jets moléculaires de couches minces de ces composés. L’étude sera réalisée par des méthodes de pointe accessibles en rayonnement synchrotron à synchrotron-SOLEIL.
The objective of the internship is to study ferrimagnetic ferrite inclusions (MFe2O4, M=Co ,Ni ,Mn) in a ferroelectric BaTiO3 matrix. The realization of the samples will benefit from the expertise gained in recent years, in the CEA/SPEC laboratory, in growing thin films of such compounds by molecular beam epitaxy. The study will be realized by advanced methods using synchrotron radiation at synchrotron-SOLEIL.

Sujet détaillé/Full description

Le couplage magnéto-électrique entre des oxydes ferroélectriques et ferro-, ferri ou antiferro- magnétiques suscite un vif intérêt dans le domaine des applications liées à la spintronique et à la conversion d’énergie. La maitrise de ce type d’oxydes sous forme de nanostructures encapsulées est aujourd’hui particulièrement intéressante. Dans ces systèmes il y a une forte interdépendance des paramètres magnétiques, ferroélectriques et structuraux. Une étude pertinente doit donc aborder l’ensemble de ces aspects.

Le BaTiO3 est l’un des matériaux ferroélectriques de référence et appartient à la famille des oxydes de structure pérovskite. Les ferrites ont de nombreux atouts comme des températures de Curie élevées et une excellente stabilité chimique. L’inclusion de microstructures de ferrites dans un film de BaTiO3 est un système très bien adapté à la compréhension des mécanismes sous-tendant les propriétés multiferroïques.
La croissance en films minces de ces matériaux est déjà maitrisée au laboratoire CEA/SPEC. Les dépôts sont réalisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique. Dans le cadre du stage proposé une initiation aux techniques de dépôts ultra-vide autour de ces matériaux sera considérée. Les échantillons de ferrite encapsulés seront étudiés ensuite sur les lignes de lumière DIFFFABS, DEIMOS et HERMES du synchrotron SOLEIL pour déterminer les propriétés cristallines, la cartographie chimique ainsi que l’ordre magnétique et ferroélectrique.
Les couches élaborées durant ce stage s’inscrivent dans le cadre de recherches à long terme. Ce sujet pourra être prolongé par une thèse. Le stage, tout comme le sujet de thèse pourront donner lieu à un co-encadrement. L’étudiant(e) sera administrativement rattaché au synchrotron-SOLEIL et sera associé au laboratoire CEA/SPEC.

Contacts : MOCUTA Cristian, +33 1 69 35 81 20, mocuta@synchrotron-soleil.fr; OHRESSER Philippe, +33 1 69 35 96 82, philippe.ohresser@synchrotron-soleil.fr; BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr
The magneto-electric coupling between ferroelectric and ferro, ferri or antiferro-magnetic oxides is nowadays of high interest in the field of spintronics and energy conversion. Mastering this type of oxide nanostructures in the form of embedded microstructures is particularly relevant today. In such systems there is a strong interdependence between the magnetic, ferroelectric and structural parameters. A relevant study must address all of these aspects.
The BaTiO3 is an archetypical ferroelectric material that belongs to the family of ferroelectric oxides with a perovskite structure. Ferrites have many advantages like high Curie temperature and high chemical stability. The inclusion of ferrites microstructures in a BaTiO3 film is a very suitable system for understanding the mechanisms underlying the multiferroic properties.
The growth of thin films of these materials is already mastered in the CEA/SPEC laboratory. The deposits are realized by molecular beam epitaxy assisted by atomic oxygen plasma. Within the internship ultra-high vacuum growth techniques will also be used. The encapsulated ferrite samples will be studied on beamlines DIFFABS, DEIMOS and HERMES at synchrotron SOLEIL to access to the crystalline properties, chemical mapping as well as the magnetic and ferroelectric orders.
The developed of such layers during this internship is part of a long-term research program. This topic may be extended by a thesis work. The intership as well as the PhD may lead to a co-management between the CEA / SPEC laboratory and synchrotron SOLEIL beamlines. The intern will administratively depend on synchrotron SOLEIL and associated with the CEA/SPEC laboratory.

Contacts : MOCUTA Cristian, +33 1 69 35 81 20, mocuta@synchrotron-soleil.fr; OHRESSER Philippe, +33 1 69 35 96 82, philippe.ohresser@synchrotron-soleil.fr; BARBIER Antoine, +33 1 69 08 39 23, antoine.barbier@cea.fr

Mots clés/Keywords

Oxydes, multiferroïque, épitaxie par jets moléculaires, synchrotron
Oxides, multiferroic, molecular beam epitaxy, synchrotron

Compétences/Skills

Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires ainsi qu’une première approche d’études menées sur grands instruments. On utilisera la diffraction des électrons rapides (RHEED), la spectroscopie d’électrons Auger (AES), la photoémission des niveaux de coeur (XPS), la microscopie en champ proche (PFM), la microscopie électronique de basse énergie (LEEM), la diffraction des rayons X sur la ligne DIFFABS et éventuellement la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) et la spectro-microscopie X-PEEM au synchrotron SOLEIL sur les lignes DEIMOS et HERMES.
The candidate will address the UHV techniques associated with the growth by molecular beam epitaxy and a first approach of studies conducted on large instruments. The techniques that will be used are Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), Photoemission core level spectroscopy (XPS), Piezo Force Microscopy (PFM), Low Energy Electron microscopy (LEEM), X-ray diffraction on the DIFFABS beamline and eventually X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-PEEM spectro-microscopy on the DEIMOS and HERMES beamlines of synchrotron SOLEIL.

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

Spécialité

PHYSIQUE

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

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

26-04-2019

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

Excitations terahertz antiferromagnétiques induites par courant de spin
Terahertz antiferromagnetic excitations driven by spin-current

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHAULEAU Jean-Yves
+33 1 69 08 01 42

Résumé/Summary

Ce stage propose d’étudier les propriétés de dynamique ultrarapide d'isolants antiferromagnétiques soumis à différents types de stimulations (courant de spin, impulsion terahertz…). Le travail sera centré sur l’utilisation d’un code de simulation de dynamique de spin atomique.
This internship deals with an assesment of the ultrafast properties of insulating antiferromagnets when subjected to different kind of stimuli (spin current, terahertz pulses…). The work will be focused on the use of a simulation code of atomic spin dynamics.

Sujet détaillé/Full description

Parmi les états ordonnés de la matière, le magnétisme est robuste et présent jusqu’à des températures largement supérieures à l’ambiante pour une large gamme de matériaux. Les ferromagnétiques sont par conséquent largement utilisés dans les technologies de l’information. D’un autre côté, les anti-ferromagnétiques (AF), qui composent la grande majorité des matériaux magnétiques, ne sont pas (encore) utilisés comme éléments actifs. Dans ces composés, les moments magnétiques atomiques pointent dans des directions opposées entre voisins. L’aimantation résultante nulle rend cet ordre insensible à un champ magnétique et difficile à sonder. Par conséquent, les propriétés intrinsèques de la formation des domaines AF et la mobilité des parois de domaines sont peu connues.
Durant ces dernières années, il a été démontré que les AF métalliques peuvent présenter des propriétés de magnéto-résistance (résultant du couplage spin-orbite) ouvrant ainsi des perspectives d’utilisation dans des dispositifs de la spintronique. D’un autre côté, les isolants AF sont largement plus répandus que leurs cousins conducteurs car les interactions de super-échange dans les isolants sont assez généralement AF. Un contrôle direct de l’ordre AF requiert des champs magnétiques très intenses, généralement non disponibles en laboratoire. Les récentes avancées dans le domaine des effets de transfert de spin produits par des courants de spin, permettent en principe de générer des couples magnétiques changeant alternativement de signe sur chaque moment atomique orienté de manière opposée, idéaux pour contrôler l’ordre AF. Cet effet, qui offre donc une possibilité intéressante de contrôler l’ordre AF, n’a pas encore été démontré dans ces composés.
Le sujet proposé ici a donc pour but d’étudier la dynamique terahertz de l’ordre antiferromagnétique lorsqu’il est soumis à diverses excitations, en particulier des impulsions picoseconde de courant de spin. Le travail de ce stage sera l’utilisation d’un code de dynamique de spin atomique afin de comprendre et maitriser les mécanismes sous-jacents des excitations antiferromagnétiques induite par courant de spin. Ce stage sera idéalement poursuivi par une thèse.
Among the ordered electronic states that occur in solid-state materials, magnetism is uniquely robust, persisting to well above room temperature in a wide variety of materials. Ferromagnets are now routinely used in the field of information technology. On the other hand, antiferromagnets (AF), which compose the overwhelming majority of magnetically ordered materials, have not been considered as candidates for active elements. In these materials, the magnetic moments of atoms align in a regular pattern with neighbouring spins pointing in opposite directions. Because of their zero net moment, antiferromagnets are rather insensitive to a magnetic field and difficult to probe. Thus, their intrinsic properties, and especially AF domains formation and the mobility of their domain walls, are poorly known.
In the last few years, it has been demonstrated that metallic antiferromagnets can lead to giant-magnetoresistance effects (resulting from spin-orbit-coupling), which validates their use as “spintronic elements”. On the other hand, insulating antiferromagnets are much more common than their conducting counterparts because super-exchange interactions in insulators are mainly antiferromagnetic. Direct control of AF properties requires unpractically large magnetic fields, not commonly available in a laboratory. The recent development of the spin transfer torque effect produced by spin polarized currents provides an ideal way of generating (the equivalent of) a staggered field, ideal to control the AF order. This should allow to toggle AF domains and influence the AF dynamical properties, but this has not yet been demonstrated.
The internship proposed here aims at studying the terahertz dynamics of the antiferromagnetic order when subjected to various stimuli, in particular picosecond spincurrent pulses. The work will be focus on the use of an atomic spin dynamics code in order to understand and master the underlying mechanisms of spincurrent-induced antiferromagnetic excitations. Ideally the internship should lead to a continuation as a PhD student.

Mots clés/Keywords

dynamique antiferromagnétique, terahertz, courant de spin
antiferromagnetic dynamics, terahertz, spin current

Fabrication et caractérisation de dépôt moléculaire sur graphène

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

15-04-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

VASSANT Simon
+33 1 69 08 95 97

Résumé/Summary

Le stage porte sur les propriétés optiques de molécules déposées sur du graphène.
Le stagiaire devra fabriquer les échantillons et effectuer les dépôts de molécules par évaporation sous vide.
Les dépôts seront étudiés par microscope à effet tunnel et spectroscopie optique

Sujet détaillé/Full description

Le stage se déroulera au LEPO (Laboratoire d’Electronique et Photonique Organique) du CEA Saclay, où nous étudions la nano-photonique. Nous nous intéressons actuellement aux propriétés de matériaux 2D et de matériaux moléculaire organisés.

Nous souhaitons analyser les propriétés optiques de couches moléculaires déposées sur un feuillet de graphène. Dans le cadre du stage, il s’agira d’étudier l’influence de l’orientation des molécules sur l’absorption, l’émission de lumière et le gain optique. Le laboratoire dispose du savoir-faire et de l’équipement nécessaire à l’auto-assemblage à l’interface liquide-solide, au transfert de graphène CVD par voie humide, et au dépôt de molécules organiques par évaporation sous vide.

Le stagiaire sera chargé de la réalisation des échantillons. Il préparera les feuillets de graphène sur verre, puis explorera les paramètres de dépôt sous vide pour optimiser l’orientation des molécules sur le feuillet de graphène. Il participera à la caractérisation des couches réalisées, par microscope à effet tunnel et par spectroscopie d’absorption optique résolue en angle.
Le stage sera rémunéré environ 400€ par mois.

Description du profil recherché :
L’étudiant en dernière année de licence, ou en première année de master dans un des domaines suivants : Physique, Chimie, Instrumentation. Un fort goût pour l’expérimentation est nécessaire, une expérience en laboratoire sera un plus.

Mots clés/Keywords

Graphène, optique, évaporation

Compétences/Skills

Transfert de graphène par voie humide Evaporation sous vide Microscope à effet tunnel Spectroscopie résolue en angle

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 in-situ le couplage entre les parois de domaines ferroélectriques à la surface de BaTiO3, par imagerie en microscopie d'électrons de photoémission (PEEM).
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 sa phase ordonnée, un matériau ferroïque présente localement un ordre selon un des variants de la nouvelle symétrie du système. La multiplicité des variants se traduit par l'apparition d'une structure en domaines (chacun étant ordonné selon un des variants), séparés par des parois (DWs : "domain walls").

L’ingénierie des parois de domaines (DWs : "domain walls") dans les matériaux ferroïques est une domaine de recherche où la paroi est l’élément actif, plutôt que le matériau de volume. Le défi est ici 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

Magnétorésistance Géante tout oxyde
All oxide magnetoresistance

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-06-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Solignac Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Le but du stage est donc de développer un élément à magnétoresistance géante tout oxyde composé d’électrodes en LSMO et qui présenterait des performances à l’état de l’art en termes de sensibilité et de bruit pour des applications de capteurs magnétiques ultra-sensibles comme la magnétoencéphalographie (mesure directe du signal magnétique émis par le cerveau).
The internship aims at developing a giant magnetoresistive element composed by LSMO which will show state of the art properties in terms of noise and sensitivity. The possible application is ultra high sensitive sensors as magnetoencephalography (direct measurement of the magnetic signal emitted by brain).

Sujet détaillé/Full description

La manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO), appartenant à la famille des oxydes de structure pérovskite, présente une très forte polarisation en spin et a un comportement demi métallique, tout en étant ferromagnétique et métallique à température ambiante. Ce matériau semble donc être un bon candidat comme électrode dans des jonctions tunnels magnétiques afin de développer des capteurs magnétiques ultra-sensibles, basés sur la magnétorésistance tunnel (TMR) et fonctionnant à basse température. En effet, des valeurs de TMR de 2000% ont été obtenues pour des jonctions LSMO/SrTiO3 (STO)/LSMO[1]. Cependant ces ratios n’ont pas été reproduits et des valeurs maximales autour de 500% sont usuellement observées. Une des explications avancées est que la forte polarisation du LSMO serait dégradée à l’interface avec la barrière alors que cette interface contrôle les propriétés du transport tunnel. De plus, le niveau de bruit obtenu dans ce type de jonction tunnel tout oxyde est important et lié au transport tunnel à travers la barrière de STO.

Une voie non explorée et qui permettrait de s’affranchir des problèmes avec la TMR serait de développer un élément à magnétorésistance géante (GMR). La barrière isolante est alors remplacée par une barrière métallique, qui allierait un bruit réduit et une magnétorésistance élevée car non limitée par l’interface. L’enjeu est alors de trouver un oxyde métallique qui possède une longueur de diffusion de spin importante, et pour lequel des effets d’interface n’apparaissent pas, afin d'éviter une perte de polarisation de spin dans le LSMO. Le cuprate La4BaCu5O13 (LBCO) est dans cette optique un candidat très intéressant, mais sa croissance par ablation laser reste à optimiser au laboratoire.
Le but du stage est de mettre au point des dispositifs GMR basés sur l'empilement tout-oxyde LSMO/LBCO/LSMO. Tout d'abord il s'agira de maîtriser la croissance de LBCO sur LSMO par ablation laser (pulsed laser deposition, PLD), en étudiant l’impact des paramètres de dépôt sur la structure cristalline et la morphologie du film, analysées par diffraction des rayons X et microscopie à force atomique (AFM). Ensuite, des empilements complets LSMO/LBCO/LSMO seront déposés et des dispositifs GMR micro-fabriqués afin d'en caractériser la magnétorésistance et le niveau de bruit, via des mesures de transport en fonction de la température.

Mots clés/Keywords

Electronique de spin, capteurs magnétorésistifs, films minces oxydes perovskites

Compétences/Skills

Dépôts par ablation laser Microfabrication Mesures de transport et de bruit.

Métamatériaux "os" inspirés: vers des matériaux à la fois légers et résistants
Fracture properties of bone-inspired mechanical metamaterials: toward lightweight and resistant solids

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary

Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à développer une nouvelle classe de méta-matériaux poreux, d’architecture aléatoire et inspirée de la structure osseuse pour combiner légèreté et résistance à la rupture.
The internship is part of a research project aiming at developing a new class of porous meta-materials with a random architecture inspired by that of bones, to achieve high performance in terms of both lightness and resistance to fracture.

Sujet détaillé/Full description

La recherche de matériaux combinant légèreté et résistance mécanique est un domaine en plein essor, tiré, dans le domaine du transport notamment par la volonté de réduire les émissions de CO2 et de développer des véhicules économes en carburant. Des progrès importants ont été accomplis récemment ; les méta-matériaux ou matériaux architecturés offre dans ce contexte un potentiel considérable (e.g micro-lattice inventé au Caltech et produit par Boeing).
Les voies explorées actuellement portent principalement sur des architectures périodiques. L’idée explorée ici vise à obtenir une nouvelle classe de matériaux d'architecture aléatoire ayant des propriétés statistiques invariante d’échelle spécifiques inspirées de la structure osseuse. Il s’agira aussi de regarder comment une telle structure aléatoire se répercute en terme de « risques », i.e. de fluctuations statistiques autour du comportement moyen. L’objectif final est d’arriver à des outils de rationalisation rigoureux permettant de définir un/des optimums en termes de légèreté, résistance à la fissuration, et risques (au sens défini ci-dessus).
Nos recherches précédentes nous ont permis de développer certains formalismes à l’interface entre mécanique des milieux continus et physique statistique, permettant de prendre en compte explicitement (dans des cas simples) les inhommogénéités de microstructure, leur nature discrète, et de prédire leurs effets sur le comportement en rupture à l’échelle macrosopique. Il s’agira d’adapter ce formalisme à nos metamatériaux aléatoires. L’étude s’appuiera sur des approches numériques de type « Random Lattice model » de complexité croissante. Une attention particulière sera portée sur une caractérisation propre des fluctuations statistiques autour du comportement en rupture moyen. L’approche sera ensuite qualifiée au travers d’expériences menées sur des échantillons de porosité fractale obtenues par impression additive, puis cassées au moyen d’un dispositif expérimental original développé dans notre laboratoire et donnant accès à la résistance en rupture et ses fluctuations statistiques.
The quest toward high-performance materials combining lightness and mechanical strength gave rise to a flurry of activity: desire to reduce CO2 emissions and develop fuel-efficient vehiclesin the transport industries for instance. In this context, meta-materials or architectured materials offer considerable potential (e.g. micro-lattice invented at Caltech and produced by Boeing) and significant progresses have been achieved recently.
The routes explored till now have focussed mainly on periodic architectures.
The routes explored so far have mainly focused on periodic architectures. This project aims to explore random architectures, imitating that of bones, with specific scale invariant statistical properties (fractals). Particular attention will be paid to the consequences of such a random structure in terms of "risks", ie statistical fluctuations around the average failure behavior. The ultimate goal is to provide rigorous rationalization tools to define one or more optima in terms of lightness, crack resistance and risk (as defined above) in this new class of materials.
Our previous research has provided some formalisms, at the interface between continuum mechanics and statistical physics, which allow (in simple cases) to explicitly take into account the effect of microstructure inhomogeneities (or its discrete nature) on behavior. in macroscopic rupture and its statistical fluctuations. We will seek to adapt this formalism to the study of our random metamaterials. The project will rely on numerical approaches based on random network models of increasing complexity. Particular attention will be paid to a correct characterization of the statistical fluctuations around the average breaking behavior. The approach will then be confronted with experiments carried out on fractal fractal porosity 2D printed samples using an original experimental device developed in our laboratory and giving access to both the tenacity and its statistical fluctuations

Mots clés/Keywords

Physique statistique, mécanique de la fracture
Statistical physics, solid mechanics

Compétences/Skills

Modélisation par éléments discrets, analyse statistique, simulations numériques, mécanique expérimentale (thèse), impression additive (thèse)
Discrete element modeling, statistical analysis, numerical simulations, methods of experimental mechanics (PhD), additive printing (PhD)

Optimisation des photoanodes nanostructurés d'hématite par dopage Ti pour la production d'hydrogène par photoelectrolyse de l'eau
Nanostructured hematite photoanodes optimisation by Ti doping for hydrogen production by solar water splitting

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

STANESCU Dana
+33 1 69 08 75 48

Résumé/Summary

Caractérisation de l'efficacité de production d'hydrogène pour différents niveaux de dopage Ti de photoanodes d'hématite obtenues par croissance chimique en phase aqueuse. Corrélation avec les propriétés chimiques / structurelles / électroniques locales des matériaux.
Correlative study between the macroscopic hydrogen production efficiency for different Ti doping levels of hematite photoanodes obtained by aqueous chemical growth and the local chemical/structural/electronic properties of the photoanodes.

Sujet détaillé/Full description

Stage M2 (Synchrotron SOLEIL / SPEC)
Responsable SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)
Responsable CEA: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)

Les sources d'énergie renouvelables, ne représentent aujourd'hui que 20% de la consommation énergétique mondiale. Celles permettant de réduire les émissions de dioxyde de carbone dans l'atmosphère, peuvent apporter une réponse fiable à la demande d'énergie. Ainsi l'hydrogène semble être un vecteur énergétique efficace et durable puisque son énergie spécifique est d'environ 120 MJ / Kg, plus élevée que celle des hydrocarbures (46 MJ / Kg) ou des batteries lithium-air (8 MJ / Kg). Mais de nos jours, plus de 95% de la production totale d'hydrogène (environ 50 millions de tonnes par an) dépend de l'industrie des combustibles fossiles, principalement le reformage du méthane à la vapeur, avec par conséquent un très fort impact carbone. L'hydrogène peut également être produit par électrolyse de l'eau. Un apport d'énergie important est toutefois nécessaire pour produire une différence de potentiel pour initier la réaction d'oxydoréduction (1,23 V). Une nouvelle idée, inspirée par la photosynthèse, est la photoélectrolyse de l'eau, où la lumière solaire est utilisée pour réduire le biais de tension nécessaire pour séparer l'hydrogène de la molécule d'eau [1]. En général une cellule photoélectrochimique est constituée d’une photoanode semi-conductrice de type n associée à une cathode métallique classique. Le paramètre macroscopique qui confirme que la production d'hydrogène est le photocourant généré
Nous étudions actuellement des photoanodes d'hématite pures obtenues par une méthode simple et versatile, à savoir l'ACG : Aqueous Chemical Growth [2]. Plusieurs paramètres de croissance comme le pH de la solution, la température, et le temps de croissance, permettent d'ajuster les propriétés de ces photoanodes. Une étude précédente sur des films épitaxiaux modèles, nous a permis de démontrer une augmentation 10 fois de l'efficacité photoélectrochimique lors du dopage titane (Ti) de l'hématite [3]. Nous proposons ici de caractériser l'efficacité de production d'hydrogène pour différents niveaux de dopage Ti des photoanodes d'hématite obtenues par ACG, en corrélation avec les propriétés chimiques / structurelles / électroniques micro- and macroscopiques des matériaux.
Le stagiaire aura plusieurs missions : a) élaboration d'un protocole assurant une élaboration reproductible des échantillons dopés Ti avec un contrôle précis du niveau de dopage; b) la caractérisation de l'efficacité de production d'hydrogène par des mesures de photocourant; c) la caractérisation des propriétés chimiques / structurelles / électroniques à l'aide d'outils de microscopie de pointe; d) mise en évidence et modélisation des corrélations entre la conduction macroscopique et les propriétés physico-chimiques à l’échelle micro- et nano- scopique. Des techniques d’analyse spécifiques de laboratoire (mesures de photocourant, MEB - microscopie électronique à balayage, XRD - Diffraction des rayons X, XPS - Spectroscopie de photoémission par rayons X) et synchrotron (STXM - microscopie de rayons X à balayage en transmission, XPEEM - microscopie électronique à photoémission, XAS – spectroscopie d’absorption de rayons X) seront utilisées pour réaliser cette étude.
Le stage se déroulera sur la ligne HERMES [4] du Synchrotron SOLEIL, dédiée à la microscopie à rayons X (STXM et XPEEM). Les dépôts de photoanodes et les mesures de photocourant seront réalisés au laboratoire SPEC du CEA-Saclay.

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37 (1972), 10.1038/238037a0
[2] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728, L. Vayssieres, Appl. Phys. A 89, 1–8 (2007), 10.1007/s00339-007-4039-0,
[3] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[4] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778
M2 internship (Synchrotron SOLEIL / SPEC)
Responsible SOLEIL: Stefan Stanescu (stefan.stanescu@synchrotron-soleil.fr)
Responsible CEA: Dana Stanescu (dana.stanescu@cea.fr)

Renewable energy sources, only 20% of the present mankind’s global energy consumption, will constitute a reliable answer to the energy demand if they reduce carbon dioxide emissions into the atmosphere. Hydrogen appears to be an efficient and sustainable energy carrier since its specific energy is around 120 MJ/Kg, higher than in hydrocarbons (46 MJ/Kg) or lithium air batteries (8 MJ/Kg). Nowadays, more than 95% of total hydrogen production (ca. 50 millions of tonnes per year) depends on the fossil fuels industry, mainly steam methane reforming. Therefore, the carbon impact is huge. Hydrogen can also be produced by water electrolysis. A significant energy input is however necessary to produce the voltage bias necessary to initiate redox reaction (1.23 V). A novel idea, inspired by photosynthesis, is water photoelectrolysis, where sunlight is used to reduce the voltage bias necessary to split hydrogen from water molecule [1]. In most cases, a photo electrochemical cell consists of an n-type semiconductor photoanode associated with a conventional metal cathode, the macroscopic parameter that confirms hydrogen production being the generated photocurrent.
We are currently studying pure and doped hematite photoanodes obtained using a simple and versatile method, namely the ACG: Aqueous Chemical Growth [2]. Several growth parameters like the solution pH, temperature, time allow tuning the properties of these photoanodes. In a previous study on model epitaxial films, it was demonstrated a 10 times increase in the photo-electrochemical efficiency upon hematite doping with Ti [3]. We propose here to characterize and correlate the macroscopic hydrogen production efficiency for different Ti doping levels of hematite photoanodes obtained by ACG with the local chemical/structural/electronic properties of the materials.
The intern will have several missions: a) elaboration of a protocol insuring reproducible elaboration of Ti-doped samples with precise control of the doping level; b) characterization of the hydrogen production efficiency by photocurrent measurements; c) characterization of chemical/structural/electronic properties using state of the art microscopy tools; d) evidence and model correlations between macroscopic conduction to local properties. Combined laboratory (photocurrent, SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction, XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy) and synchrotron (STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy, XPEEM - X-ray PhotoEmission Electron Microscopy, XAS - X-ray Absorption Spectroscopy) techniques will be used to realize this study.
The internship will take place on HERMES beamline [4] from Synchrotron SOLEIL, dedicated to X-ray microscopy (STXM and XPEEM). Photoanodes deposition and photocurrent measurements will be realized at SPEC laboratory from CEA-Saclay.

[1] A. Fujishima and K. Honda, Nature, 1972, 238, 37 (1972), 10.1038/238037a0
[2] L. Vayssieres, Int. J. Nanotechnol. 2004, 1, 10.1504/IJNT.2004.003728, L. Vayssieres, Appl. Phys. A 89, 1–8 (2007), 10.1007/s00339-007-4039-0,
[3] M. Rioult, H. Magnan, D. Stanescu, A. Barbier, J.Phys.Chem.C, 2014, 118 (6), pp 3007–3014, 10.1021/jp500290j
[4] R. Belkhou, S. Stanescu, S. Swaraj, A. Besson, M. Ledoux, M. Hajlaoui, D. Dalle, J. Synchrotron Radiat., 2015, 22 (4): 968-979, 10.1107/S1600577515007778

Mots clés/Keywords

Photoelectrolyse de l'eau; techniques synchrotron ; microscopie de rayons X
solar water splitting, X-ray synchrotron techniques, X-ray microscopy

Compétences/Skills

techniques synchrotron: - STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy - XAS - X-ray Absorption Spectroscopy techniques de laboratoire: SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy ACG - Aqueous Chemical Growth mesures de photocourant
synchrotron techniques: - STXM - Scanning Transmission X-ray Microscopy - XAS - X-ray Absorption Spectroscopy laboratory techniques: SEM - Scanning Electron Microscopy, XRD - X-ray Diffraction XPS - X-ray Photoemission Spectroscopy ACG - Aqueous Chemical Growth photocurrent measurements

Logiciels

python, logiciel traitement images STXM

Photo-électrolyse de l’eau assistée par une couche pérovkite ferroélectrique
Water photolectrolysis assisted by a perovskite ferroelectric layer

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

01-05-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MAGNAN Helene
+33 1 69 08 94 04

Résumé/Summary

Des photo-anodes dédiées à la photo-électrolyse de l’eau seront réalisées et caractérisées. Il s’agira d’hétérojonctions d’oxydes élaborées par épitaxie par jets moléculaires dont une couche sera ferroélectrique et polarisée électriquement. Les effets de la polarisation électrique sur les propriétés de photo-électrolyse seront étudiés.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization on the photoanode efficiency.

Sujet détaillé/Full description

La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène en utilisant l’énergie solaire. L’hydrogène, en tant que vecteur d’énergie propre et décarbonné, est une piste crédible pour résoudre la paradoxale nécessité d’une augmentation de la production énergétique et de la réduction des gaz à effets de serre. Les photo-anodes les plus performantes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, à ce jour, aucun oxyde semi-conducteur simple ne réunit toutes les propriétés de photo-anode nécessaires pour permettre une production raisonnable d’hydrogène par ce procédé. Les anodes permettant une bonne absorption du spectre lumineux souffrent d’un taux de recombinaison rédhibitoire. Il faut considérer des architectures de matériaux plus complexes afin d’améliorer les propriétés des électrodes simples. Dans cette étude, nous souhaitons combiner une couche d’oxyde efficace en tant que photo-anode avec une couche d’oxyde pérovskite ferroélectrique, fournissant une polarisation électrique interne permettant d’améliorer les propriétés de transport.
Dans le cadre du stage proposé, on s’attachera, dans un premier temps, à déterminer les conditions de croissance d’hétérojonctions monocristallines de type Fe2O3 / BaTiO3 . Les dépôts seront réalisés sur des substrats adaptés et conducteurs (Pt(001) et Pt(111)), et seront déposés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique, une technique parfaitement maitrisée au laboratoire. La structure cristalline sera déterminée in situ et en temps réel grâce à la diffraction d’électrons rapides (RHEED). La stœchiométrie des films sera déterminée par spectroscopie d’électrons Auger et par photoémission (XPS). Les propriétés de photo-électrolyse (photo-courant, rendement) seront mesurées en lumière blanche et en lumière monochromatique. L’efficacité de la photo-anode sera analysée en fonction de la nature de l’heterojonction et de l’orientation cristalline. Nous étudierons également les effets de la polarisation électrique (amplitude, orientation) de la couche ferrolectrique sur les propriétés de photo-électrolyse.
Le (la) candidat(e) abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires (dépôt de couches minces, caractérisations in situ) ainsi que la caractérisation électrochimique de photo-anodes. Le caractère multi-disciplinaire du sujet sera très enrichissant pour le (la) candidat(e). Les couches élaborées durant ce stage s’inscrivent dans le cadre de recherches à long terme dans le groupe et d’un projet ANR (photo-pot) qui vient d’être accepté. Ce sujet pourra être prolongé par une thèse.
Thin epitaxial films dedicated to water photolectrolysis will be prepared by atomic oxygen plasma assisted molecular beam epitaxy and characterized. We will study oxide heterojunction containing a polarized ferroelectric layer. We will study the influence of electrical polarization (intensity and orientation) on the photoanode efficiency.
Solar energy has the potential to satisfy the increasing global energy demand. Semiconductors hold great promise for high-efficiency solar water splitting (water photo electrolysis). Indeed, they may be used for solar energy harvesting and/or chemical energy storage. Since the first demonstration using TiO2 as a photoanode, a large number of metal oxides were studied for this application. However, all these simple oxides present some limiting factors (such as electron - hole recombination and position of the conduction band edge below the H+/H2 redox potential) which can explain a relatively low efficiency. Recently, we have shown in our group that the efficiency of solar water splitting can be strongly improved by using a ferroelectric layer (BaTiO3) as photoanode [1].
In the present internship, we propose to prepare and study oxide heterojunctions (Fe2O3 / BaTiO3 ) grown by Atomic Oxygen plasma assisted Molecular Beam Epitaxy. The introduction of the perovskite ferroelectric layer is expected to improve the photoanode efficiency of Fe2O3 thanks to a better charge transport. For all samples, we will determine the crystallographic structure by in situ RHEED and the electronic structure by in situ XPS. The photoanode efficiency as a function of the nature of heterojunction and of its crystallographic orientation. Moreover the influence of ferroelectric polarization vector (direction and strength) will be also measured.

[1] M. Rioult, S. Datta, D. Stanescu, S. Stanescu, R. Belkhou, F. Maccherozzi, H. Magnan, A. Barbier, Appl. Phys. Lett 107, 103901 (2015)

Mots clés/Keywords

Couches minces, épitaxie, caractérisation, photo-anode, photo-électrolyse, cellule solaire
epitaxy, thin films, photoelectrolysis, solar fuel cell

Compétences/Skills

MBE, spectroscopies, photolectrolyse
MBE, Spectroscopy, photoelectrolysis

Relever le défi de la transition vitreuse par manipulation optique de molécules.
Taking up the challenge of the glass transition by optical manipulations of molecules

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+4

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

29-09-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

LADIEU Francois
+33 1 69 08 72 49

Résumé/Summary

Existe-t-il une phase vitreuse bien définie thermodynamiquement, ou au contraire les verres sont-ils toujours des états hors d’équilibre dont le temps de relaxation est si grand que le système apparaît comme un solide ? Nous chercherons ici à concrétiser une expérience de la pensée proposée récemment par des physiciens théoriciens permettant de répondre à cette question.
Is there a thermodynamically well-defined glassy phase, or on the contrary are the glasses always in some out of equilibrium states the relaxation time of which is so great that the system appears as a solid ? Here we will seek to realize a gedenken experiment recently proposed by theoretical physicists to answer this question

Sujet détaillé/Full description

Contexte

D’après le prix Nobel P.W. Anderson, « Le problème non résolu le plus profond et le plus intéressant en théorie de la matière condensée est probablement la nature des verres et la transition vitreuse ». Cette citation reflète notre incapacité à trancher cette question : existe-t-il une phase vitreuse bien définie thermodynamiquement, ou au contraire les verres sont-ils toujours des états hors d’équilibre dont le temps de relaxation est si grand que le système apparait comme un solide ? Cette ignorance résulte d’une difficulté intrinsèque : les techniques expérimentales utilisées pour mettre en évidence des transitions de phases thermodynamiques (par exemple, liquide/gaz ou liquide/cristal) ne peuvent s’appliquer car elles seraient pour les verres incompatibles avec les temps d’expérience usuels. Il faut donc une approche novatrice pour lever le mystère de la transition vitreuse, laquelle représente non seulement un défi fondamental, mais de plus conditionne bon nombre d’applications, puisque les verres sont des matériaux de grande importance technologique (fuselages d’avions, fibres optiques, systèmes photovoltaïques…).

Objectifs

Dans ce contexte, nous cherchons à concrétiser une expérience de la pensée proposée récemment par des physiciens théoriciens qui permettra de démontrer ou infirmer la présence d’une transition thermodynamique vers un état vitreux. L’expérience consiste à étudier la réponse d’un liquide surfondu dans lequel des molécules choisies aléatoirement sont bloquées –ou « clouées »- dans l’espace : si ce blocage d’une faible fraction de particules modifie la dynamique globale, cela signifie qu’un ordre est bel et bien instauré dans le système, même si sa nature extrêmement complexe le rend indétectable par les méthodes standards de diffusion du rayonnement. L’approche que nous avons échafaudée requiert i) la mise au point de molécules manipulables optiquement, ii) la construction de l‘expérience optique, et iii) la comparaison des résultats expérimentaux avec les prédictions théoriques. Le stage consistera à travailler sur la construction et l’exploitation d’une telle expérience.

Détails et profil recherché

Ce projet est une collaboration réunissant toutes les compétences nécessaires entre physiciens, chimistes et théoriciens, situés près de Paris au CEA de Saclay et à l’université de Montpellier. Le stage se déroulera essentiellement dans les laboratoires NIMBE/LIONS et SPEC/SPHYNX du CEA de Saclay. Nous recherchons un candidat qui, en s’appuyant sur les expertises disponibles sur place, souhaite s’investir sur le projet, en apportant ses compétences soit en synthèse organique soit en physique expérimentale (optique, diffusion du rayonnement en laboratoire et en grands instruments, et spectroscopie diélectrique).
Context

According to the Nobel Prize awardee P.W. Anderson “The deepest and most interesting unsolved problem in solid state theory is probably the nature of glass and the glass transition”. This sentence reflects the fact that we still do not know if glasses are a true thermodynamic phase of matter or, on the contrary, if they are just out of equilibrium liquids which have become too viscous to flow on human time scales. Finding the answer to this seemingly simple question is hampered by the fact that, when decreasing temperature, the relaxation time of glass forming liquids becomes so large that one cannot rely onto the experimental techniques used to evidence standard thermodynamic phase transitions (e.g. liquid/gas transition or liquid/crystal transition). By using a totally new approach we aim at unveiling the nature of the glass transition, which is of great importance both for fundamental physics and for applications, since glasses play an increasing role in modern technologies (e.g. in optical fibers for communications, in photovoltaic devices, or in airplanes fuselages).

Objectives

More precisely, we aim at building an experiment corresponding to the “ideal thought experiment” proposed recently by some theorists, so as to unveil the presence or the absence of a true thermodynamic glass transition. In this experiment a fraction of molecules, randomly chosen in space, is pinned and one monitors the response of the rest of the liquid: if this pinning of a small fraction of molecules changes the global dynamics of the liquid, this means unambiguously that an order was present before establishing the pinning field, even though the extremely complex nature of this order had made it impossible to evidence by standard experimental tools. The approach that we have conceived needs: i) to design the optically sensitive molecules; ii) to build an optical setup allowing the realize pinning in the well-chosen liquid; iii) to compare the experimental results to the theoretical predictions. The internship consists in working onto the building and the exploitation of this experiment.

Profile of the candidate.

This project is a collaboration gathering all the required expertise between physicists, chemists, and theoreticians working at CEA Saclay –near Paris- and in the University of Montpellier. The internship will mainly take place in the NIMBE/LIONS and SPEC/SPHYNX laboratories in the CEA center of Saclay. We are looking for a candidate who, by relying onto the expertise available in the laboratories, really wants to invest herself/himself onto this project by providing us his/her skills either in organics chemistry or in experimental physics (optics, diffusion setups either in our laboratory or in large facilities, and dielectric spectroscopy).

Mots clés/Keywords

Optique
Optics

Spintronique ultra-rapide avec des isolants antiferromagnétiques
Ultra-fast Spintronics with antiferromagnetic insulators

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

26-03-2019

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VIRET Michel
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary

Ce stage propose de sonder les propriétés d'isolants antiferromagnétiques pour une utilisation comme composants spintroniques ultra-rapides. Des impulsions THz de courant de spin générées par un laser femtoseconde seront utilisées comme excitation de l'ordre antiferromagnétique.
This 'stage' deals with an assesment of the properties of insulating antiferromagnets as ultra-fast spintronic components. THz spin current pulses will be launched using a femtosecond laser in order to excite the antiferromagnetic order.

Sujet détaillé/Full description

Parmi les états ordonnés de la matière, le magnétisme est robuste et présent jusqu’à des températures largement supérieures à l’ambiante pour une large gamme de matériaux. Les ferromagnétiques sont par conséquent largement utilisés dans les technologies de l’information. D’un autre côté, les anti-ferromagnétiques (AF), qui composent la grande majorité des matériaux magnétiques, ne sont pas (encore) utilisés comme éléments actifs. Dans ces composés, les moments magnétiques atomiques pointent dans des directions opposées entre voisins. L’aimantation résultante nulle rend cet ordre insensible à un champ magnétique et difficile à sonder. Par conséquent, les propriétés intrinsèques de la formation des domaines AF et la mobilité des parois de domaines sont peu connues.
Durant ces dernières années, il a été démontré que les AF métalliques peuvent présenter des propriétés de magnéto-résistance (résultant du couplage spin-orbite) ouvrant ainsi des perspectives d’utilisation dans des dispositifs de la spintronique. D’un autre côté, les isolants AF sont largement plus répandus que leurs cousins conducteurs car les interactions de super-échange dans les isolants sont assez généralement AF. Un contrôle direct de l’ordre AF requiert des champs magnétiques très intenses, généralement non disponibles en laboratoire. Les récentes avancées dans le domaine des effets de transfert de spin produits par des courants de spin, permettent en principe de générer des couples magnétiques changeant alternativement de signe sur chaque moment atomique orienté de manière opposée, idéaux pour contrôler l’ordre AF. Cet effet, qui offre donc une possibilité intéressante de contrôler l’ordre AF, n’a pas encore été démontré dans ces composés.
Le sujet de stage proposé ici a donc pour but de valider ce mécanisme dans des oxydes AF réalisés en couches minces. La manipulation de l'ordre antiferromagnétique sera réalisée à l'aide de courants de spin générés par un nouveau mécanisme basé sur la désaimantation ultra-rapide d'une couche ferromagnétique déposée sur l'AF. La mesure sera effectuée en imagerie par seconde harmonique. Excitation et mesure sont toutes deux basées sur l'utilisation d'un laser femtoseconde. Ce stage sera idéalement poursuivi par une thèse.
Among the ordered electronic states that occur in solid-state materials, magnetism is uniquely robust, persisting to well above room temperature in a wide variety of materials. Ferromagnets are now routinely used in the field of information technology. On the other hand, antiferromagnets (AF), which compose the overwhelming majority of magnetically ordered materials, have not been considered as candidates for active elements. In these materials, the magnetic moments of atoms align in a regular pattern with neighbouring spins pointing in opposite directions. Because of their zero net moment, antiferromagnets are rather insensitive to a magnetic field and difficult to probe. Thus, their intrinsic properties, and especially AF domains formation and the mobility of their domain walls, are poorly known.
In the last few years, it has been demonstrated that metallic antiferromagnets can lead to giant-magnetoresistance effects (resulting from spin-orbit-coupling), which validates their use as “spintronic elements”. On the other hand, insulating antiferromagnets are much more common than their conducting counterparts because super-exchange interactions in insulators are mainly antiferromagnetic. Direct control of AF properties requires unpractically large magnetic fields, not commonly available in a laboratory. The recent development of the spin transfer torque effect produced by spin polarized currents provides an ideal way of generating (the equivalent of) a staggered field, ideal to control the AF order. This should allow to toggle AF domains and influence the AF dynamical properties, but this has not yet been demonstrated.
The ‘stage’ proposed here aims at assessing the potential of AF insulators in spintronics. These materials will be manipulated using pure spin currents generated through a newly discovered effect based on the ultra-fast demagnetization of an adjacent ferromagnetic layer. Both excitation and measurement will be carried out using a femtosecond laser. Ideally the stage should lead to a continuation as a PhD student.

Mots clés/Keywords

spintronique, ultra-rapide
spintronics, ultra-fast

Compétences/Skills

laser femtoseconde, dépots de couches par évaporation et ablation laser.
femtosecond laser, thin film depositions by evaporation and Pulsed Laser Deposition.

Logiciels

python

Temps de tunneling électronique et ses fluctuations
Electron tunneling time and its fluctuations

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ALTIMIRAS Carles
+33 1 69 08 72 35

Résumé/Summary

Nous nous proposons de mesurer "in-situ" les fluctuations temporelles de la charge portée par des électrons se trouvant sous un barrière de potentiel par effet tunnel.
We will measure de the charge time-fluctuations of electrons trapped within a potential barrier by the tunneling effect.

Sujet détaillé/Full description

Défiant notre intuition usuelle, l'effet tunnel quantique fascine les physiciens depuis des décennies. Très vite après sa découverte, s'est posé la question de savoir combien de temps les particules passent sous la barrière classiquement interdite. Malgré sa simplicité, une telle question est mal définie en termes d’observables quantiques et n’admet pas de réponse unique, entrainant ainsi au cours des dernières décennies un ensemble de définitions différentes correspondant à divers scénarios.
Suite à une proposition de Büttiker & collaborateurs [1], cette question sera abordée en considérant une observable bien définie : la mesure du spectre des fluctuations temporelles du nombre de particules résidant dans la barrière classiquement interdite. L'idée est d'exploiter un système de gaz d'électrons 2D dans un semi-conducteur, dans lesquels des portes métalliques couplées électrostatiquement peuvent être utilisées pour générer la barrière de potentiel électrostatique sur laquelle les électrons sont dispersés (contact à point quantique). Ces mêmes portes peuvent être également utilisées pour mesurer de façon indirecte les fluctuations de charge, fonction du nombre d'électrons de tunnel résidant sous la barrière.
Malgré sa simplicité conceptuelle, la mise en œuvre d'un tel scénario est une tâche délicate, car elle nécessite la collecte d'un signal radiofréquence (RF) de très faible amplitude, émis par une source d'impédance de sortie très élevée dans un réfrigérateur à dilution (T << 1K). Pour relever ce défi, nous nous appuierons sur l’expertise du groupe dans la conception RF et les mesures de bruit ultra faible dans les environnements cryogéniques, en mettant notamment en œuvre des circuits d’adaptation RF à haute impédance récemment développés, permettant de collecter efficacement le signal dans une chaîne de détection RF.
L’étudiant participera à la conception des circuits radiofréquence, à leur fabrication en salle blanche et à leur mesure en exploitant des techniques de mesure de faible bruit, à la fois dans la gamme proche du continu et dans la gamme des quelques GHz. Il se familiarisera également avec les techniques cryogéniques sous-Kelvin.
Challenging our classical intuition, quantum tunneling has fascinated physicists for decades. Very soon after its discovery, it raised the question of how much time do particles spend under the classically forbidden barrier. Despite its simplicity, such a question is ill defined in terms of quantum observables and does not admit a single answer, thus triggering over the past decades a bunch of different definitions corresponding to different (though) scenarios.
Following a proposal of Büttiker & collaborators [1], we will address this question from the perspective of a well-defined observable: that is, measuring the spectrum of time fluctuations of the number of particles residing within the classically forbidden barrier. The idea is to exploit semiconducting 2D electron gases where electrostatically coupled metallic gates not only can be used to generate the electrostatic potential barrier upon which the electrons are scattered (a Quantum Point Contact), but could be used as well to collect the mirror influence-charges fluctuating in response to the tunneling electrons residing beneath the gate. Despite its conceptual simplicity, implementing such a scenario is a formidable task since it demands collecting a tiny radiofrequency (RF) signal emitted by a huge output-impedance source in a sub-Kelvin (dilution) refrigerator. We will build upon the group’s expertise in RF design and ultra-low noise measurements in cryogenic environments in order to overcome this challenge, notably implementing recently developed high impedance RF matching circuits allowing us to efficiently collect the signal into a RF detection chain.
The student will participate to the radiofrequency design of the samples, to their fabrication in a clean-room environment, and to their measurement exploiting low noise measurement techniques both in the near DC and the few GHz range. He will become familiar with sub-Kelvin cryogenic techniques as well.


References:
[1] Pedersen, van Langen, and Büttiker, Phys. Rev. B 57, 1838 (1998).

Mots clés/Keywords

Transport quantique, effet tunnel
Quantum transport, tunneling effect

Compétences/Skills

Mesures électriques DC et radiofréquences ultra-bas bruit design microondes. - Fabrication en salle blanche de circuit semiconducteurs nano-structurés - cryogénie
Ultra-low noise DC and RF electrical measurements microwave design - Clean-room fabrication of nanostructured semiconducting circuits - Cryogenics

Transitions dans des systèmes turbulents hors équilibre
Transitions in out-of-equilibrium systems

Spécialité

Physique des liquides

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

04-04-2019

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere & DAVIAUD Francois
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary

Le but de ce stage est d’aborder les transitions hors équilibre à l’aide d’expériences modèles. Une partie du travail reposera sur un écoulement cisaillé dans un cylindre fermé forcé par deux turbines et très fortement turbulent. Dans ce type d'écoulement, on peut observer des structures moyennes de différentes symétries qui peuvent coexister pour certaines valeurs des paramètres de contrôle. On peut alors assister, via des dynamiques temporelles complexes et lentes, à des transitions entre ces modes. Au delà des études expérimentales, un des objectifs du stage sera également de comparer les dynamiques et les transitions observées à des résultats récents obtenus en mécanique statistique et dans des modèles non-linéaires ou stochastiques.
This internship aims at studying transitions between non-equilibrium steady states, from an experimental point of view. The experiment will be the von Karman experiment, a vessel filled with water, in which spontaneous and forced bifurcations of the mean flow topology have been observed. The goal is to understand the conditions in which these transitions take place, and, if possible, establish a link with recent progress in theory of out-equilibrium systems, to generalize normal thermodynamics. The final aim is to understand whether such transitions take place in climate, and whether we would be even more concern with climate change taking place under the shape of tipping point and brutal transitions.

Sujet détaillé/Full description

Des transitions brutales sont observées de nombreux systèmes naturels : atmosphère, océan, climat, champ magnétique terrestre…Ces systèmes sont complexes : ils comportent de nombreuses échelles spatiales et temporelles en interaction et sont sujets à de très fortes fluctuations à toutes ces échelles. On peut y définir des structures moyennes telles les alizées, le Gulf-Stream ou les périodes glaciaires et interglaciaires. Ces structures peuvent apparaitre, disparaitre ou se transformer par des transitions qui mettent en jeu des brisures spontanées des symétries du système et peuvent être comparées à des transitions de phase ou des bifurcations. Ces phénomènes restent pourtant à l’heure actuelle mal compris alors qu’ils sont d’une importance capitale par exemple pour la dynamique du système climatique. Dans cette thèse, nous proposons d'étudier expérimentalement un système modèle turbulent/fluctuant, où l’on peut observer des transitions sur certaines observables moyennes ou globales.

Les transitions de phase dans les systèmes modèles proches de l'équilibre thermodynamiques sont parfaitement connues et la physique des instabilités et du chaos a permis de réaliser des avancées considérables au cours de ces 30 dernières années pour les systèmes à petit nombre de degrés de liberté. De même, l’influence du bruit sur une transition a été étudiée avec succès dans de nombreux systèmes. Ce n'est pas le cas pour les systèmes complexes situés loin de l'équilibre dans lesquels les fluctuations sont du même ordre que les grandeurs moyennes. En effet, si des expériences de laboratoire ont récemment mis en évidence des transitions dans des systèmes turbulents, un cadre conceptuel reste encore à développer.

Le but de ce stage est d’aborder cette problématique à l’aide d’expériences modèles. Une partie du travail reposera sur un écoulement cisaillé dans un cylindre fermé forcé par deux turbines et très fortement turbulent. Dans ce type d'écoulement, on peut observer des structures moyennes de différentes symétries qui peuvent coexister pour certaines valeurs des paramètres de contrôle. On peut alors assister, via des dynamiques temporelles complexes et lentes, à des transitions entre ces modes. Au delà des études expérimentales, un des objectifs du stage sera également de comparer les dynamiques et les transitions observées à des résultats récents obtenus en mécanique statistique et dans des modèles non-linéaires ou stochastiques.


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. Cette thèse sera co-encadrée par F. Daviaud (CEA) et B. Dubrulle (CNRS). Le sujet 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.

Mots clés/Keywords

Turbulence -physique statistique
Turbulence -statistical physics

Compétences/Skills

Particle Image Velocimetry Wavelets
Particle Image Velocimetry Wavelets

Logiciels

Matlab

Transport quantique de chaleur dans les hétérostructures de Van der Waals à base de graphène
Quantum heat transport in graphene Van der Waals heterostructures

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

26-04-2019

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PARMENTIER François
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary

L'objectif de ce projet est d'explorer par des mesures de bruit le transport quantique de chaleur dans les nouveaux états de la matière apparaissant dans le graphène ultra-propre sous fort champ magnétique.
The goal of this project is to explore quantum transport of heat in new states of matter arising in ultra-clean graphene in high magnetic fields, using ultra-sensitive electronic noise measurements.

Sujet détaillé/Full description

L’obtention d’échantillons de graphène (un cristal bidimensionnel d’atomes de carbone dans un réseau en nid d’abeilles) ultra-propres a récemment permis l’observation de nouveaux états de la matière condensée dans le graphène sous fort champ magnétique. En particulier, de nouveaux états de l’effet Hall quantique ont été observés pour des très faibles densités de porteurs de charge [1], pour lesquelles les interactions et les corrélations électroniques peuvent rendre le graphène totalement isolant, ou faire donner lieu à un régime d’effet Hall quantique de spin. Dans celui-ci, l’intérieur du plan de graphène est isolant, et le courant électrique est transporté uniquement le long des bords, chaque orientation de spin se propageant dans une direction opposée. La nature exacte de ces différents états n’est pas encore complètement connue, du fait notamment qu’il n’est pas possible de sonder les propriétés des régions isolantes par des mesures usuelles de transport électronique.

Nous proposons une nouvelle approche pour sonder ces phases, basée sur la mesure du flux quantique de chaleur transporté par les excitations neutres de ces systèmes, comme les ondes de spin, à très basse température. Notre méthode consistera à connecter le graphène avec des petites électrodes métalliques qui serviront de réservoirs thermiques. La température de chacun de ces réservoirs sera déterminée à l’aide de mesures de bruit ultra-sensibles [2], ce qui donnera accès au flux de chaleur.

La première étape consistera à fabriquer les échantillons de graphène encapsulé dans du nitrure de bore hexagonal [3]. Cette technique, récemment développée au laboratoire, permet d’obtenir des cristaux de graphène ultra-purs, et de relativement grande taille. En parallèle, une plate-forme expérimentale pour effectuer des mesures de bruits ultra-haute sensibilité, à très basse température et forts champs magnétiques, sera mise en place au laboratoire.

[1] Young et al., Nature 505, 528-532 (2014).
[2] Jezouin, Parmentier et al., Science 342, 601 (2013).
[3] Wang et al., Science 342, 614 (2013).
The ability to obtain ultra-clean graphene (a two-dimensional crystal made of Carbon atoms in a honeycomb lattice) samples has recently allowed the observation of new phases of condensed matter in graphene under high magnetic fields. In particular, new states of the quantum Hall effect were observed at low charge carrier density [1], where interactions and electronic correlations can either make graphene completely electrically insulating, or give rise to the quantum spin Hall effect. In the latter, the bulk of the two-dimensional crystal is insulating, while electronic current is only carried along the edges of the crystal, with opposite spins propagating in opposite directions. The exact nature of those various states is still not fully understood, as one cannot probe the properties of the insulating regions by usual electron transport measurements.

We propose a new approach to probe those phases, based on the measurement of quantum heat flow carried by chargeless excitations such as spin waves, at very low temperature. Our method will consist in connecting the graphene crystal to small metallic electrodes which will be used as heat reservoirs. The temperature of each reservoir will be inferred by ultra-sensitive noise measurements [2], allowing us to extract the heat flow.

The first step of this project will consist in fabricating the samples made of graphene encapsulated in hexagonal boron nitride [3]. This technique, which we have recently developed in our lab, allows to obtain large-area, ultra-clean graphene flakes. In parallel, an experimental platform for low-temperature, high magnetic field, ultra-high sensitivity noise measurements will be set up.

[1] Young et al., Nature 505, 528-532 (2014).
[2] Jezouin, Parmentier et al., Science 342, 601 (2013).
[3] Wang et al., Science 342, 614 (2013).

Mots clés/Keywords

Physique quantique, graphène, transport de chaleur
Quantum physics, graphene, heat transport

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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