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Réalisation de circuits quantiques par pulvérisation et gravure de NbTiN
Realization of quantum circuits by reactive sputtering and etching of NbTiN

Spécialité

Sciences et technologies des matériaux

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

16-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

VION Denis
+33 1 69 08 73 41/55 29

Résumé/Summary

Le but est de développer un procédé de fabrication de résonateurs microondes de haut Tc, de haut facteur de qualité, résistant au champ magnétique, et sans contrainte deans le substrat à basse température.
The goal is to develop a fabrication process of microwave resonators with high Tc, high quality factor, robust against magnetic field, et with no stress in the substrate at low temperature.

Sujet détaillé/Full description

Le groupe Quantronique du CEA-Saclay réalise des circuits quantiques supraconducteurs pour le traitement quantique de l’information et pour manipuler et détecter des spins électroniques et nucléaires implantés sous ces circuits. La pulvérisation réactive et la gravure de nitrure de niobium titane (NbTiN) est un choix approprié pour ces applications, étant donné la relativement haute température critique de supraconductivité du matériau, sa robustesse vis-à-vis d’un champ magnétique extérieur appliqué, et la possibilité d’annuler les contraintes sous le circuit.

Nous recrutons donc un stagiaire de fin d’étude formé aux matériaux et aux procédés d’élaboration et de caractérisation de couches minces.
The Quantronics group of CEA-Saclay makes quantum superconducting circuits for quantum information processing and to manipulate and detect electronic and nuclear spins implanted in a cristal. Reactive sputtering and etching of niobium titanium nitride (NbTiN) is an appropriate choice for these circuits, given the relatively high Tc of the material, its non too high kinetic inductance, its robustness against static mgnetic field, and the possibility to cancel stress below the circuit at low temperature.
We thus recruit an end-of-course intern with knowledge on materials and thin film fabrication and characterization.

Mots clés/Keywords

circuits quantiques
quantum circuits

Compétences/Skills

Pulvérisation magnétron réactive, gravure réactive, gravure chimique, mesure de résistance 4 points, Tc(B) , mesure de facteur de qualité à l'analyseur vectoriel, etc.
Reactive sputtering, Reactive ion etching, Chemical etching, 4 probe measurements, Tc(B) measurements, quality factor measurement using vectorial network analyzers, etc

Logiciels

labview, pythton,

Matière active : descriptions cinétiques et hydrodynamiques de suspensions denses de micronageurs
Active matter: kinetic and hydrodynamic descriptions of dense suspensions of microswimmers

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

03-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHATE Hugues
+33 1 69 08 73 46

Résumé/Summary

Nous avons récemment développé des simulations efficaces pour décrire le comportement collectif de particules simples (micro-nageurs) en suspension. Ces simulations sont susceptibles de générer des développements théoriques permettant une description continue, en termes cinétique ou hydrodynamique. Le sujet de stage, qui peut être poursuivi en doctorat, explorera les premières étapes de cette voie prometteuse. Le projet comprend également des collaborations directes avec des expérimentateurs travaillant sur des colonies bactériennes denses, à Hong Kong et Shanghai.
We have recently developed simple and numerically efficient particle-based models of suspensions of microswimmers that are amenable to theoretical treatments leading to continuous descriptions, either at the kinetic or at the hydrodynamic level. The internship, with a possible extension as a PhD, will explore the first steps on this promising route. The project also includes direct collaborations with experimentalists working on dense bacterial colonies, in Hong Kong and Shanghai.

Sujet détaillé/Full description

The past ten years have seen the emergence of Active Matter – composed of particles that convert energy from an ambient source into systematic movement -- as a distinct topic in nonequilibrium statistical physics, motivated mainly by the need to understand and imitate individual and collective motility.
It is fair to say that a satisfactory understanding has been reached for the case of ‘dry’ active matter, i.e. for situations where the fluid surrounding particles can be neglected (e.g. when they crawl on a substrate). For suspensions of swimmers (wet active matter), much remains to be done, in particular in connecting individual-based models to continuous theories. Particularly challenging is the case of dense suspensions.
We have recently developed simple and numerically efficient particle-based models that are amenable to kinetic theory treatments leading to continuous descriptions, either at the kinetic or at the hydrodynamic level. The internship, with a possible extension as a PhD, will explore the first steps on this promising route.
The project will also include direct collaborations with experimentalists working on dense bacterial colonies, in Hong Kong and Shanghai.
Reference:
Chen, Chong and Liu, Song and Shi, Xia-qing and Chaté, Hugues and Wu, Yilin, Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions, Nature 542, 210 (2017).
The past ten years have seen the emergence of Active Matter – composed of particles that convert energy from an ambient source into systematic movement -- as a distinct topic in nonequilibrium statistical physics, motivated mainly by the need to understand and imitate individual and collective motility.
It is fair to say that a satisfactory understanding has been reached for the case of ‘dry’ active matter, i.e. for situations where the fluid surrounding particles can be neglected (e.g. when they crawl on a substrate). For suspensions of swimmers (wet active matter), much remains to be done, in particular in connecting individual-based models to continuous theories. Particularly challenging is the case of dense suspensions.
We have recently developed simple and numerically efficient particle-based models that are amenable to kinetic theory treatments leading to continuous descriptions, either at the kinetic or at the hydrodynamic level. The internship, with a possible extension as a PhD, will explore the first steps on this promising route.
The project will also include direct collaborations with experimentalists working on dense bacterial colonies, in Hong Kong and Shanghai.
Reference:
Chen, Chong and Liu, Song and Shi, Xia-qing and Chaté, Hugues and Wu, Yilin, Weak synchronization and large-scale collective oscillation in dense bacterial suspensions, Nature 542, 210 (2017).

Circuit quantique hybride couplant un spin électronique à une cavité supraconductrice
Hybrid quantum circuits coupling an electronic spin to a superconducting cavity.

Spécialité

Circuit et composant électroniques

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

16-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VION Denis
+33 1 69 08 73 41/55 29

Résumé/Summary

Stage de master 2 destiné à être poursuivi par une thèse en cotutelle des universités de Paris-Saclay (France) et de Sherbrooke (Canada). Le but est de coupler un spin électronique unique à une cavité supraconductrice suffisamment fortement pour le manipuler et le détecter, dans deux dispositifs experimentaux différents
Master research internship to be followed by a PhD thesis in both univesities Paris-Saclay and Sherbrooke (Canada). The goal is to couple a single electronic spin to a superconducting cavity sufficiently strongly to manipulate and detect the spin, in two different experimental setups.

Sujet détaillé/Full description

The Quantronics group of CEA-Saclay and the Institut quantique of Sherbrooke University collaborate in a fundamental physics project aiming at coupling a single electronic spin to microwave superconducting cavity. Two approaches will be explored: With Professor M. Pioro-Ladrière from the Institut quantique, the spin-cavité will be mediated by the charge degree of freedom of a semiconducting double quantum dot. The inhomogeneous magnetic field created by a micro-magnet close to the double dot allows one to obtain a spin-cavity coupling of a few MHz, and to choose by design between a purely longitudinal or transverse coupling [1]. The parametric modulation of the longitudinal coupling will be used for a non destructive measurement of the spin using the microwave signal leaking from the cavity [2]. In the Quantronics group, the magnetic coupling between the spin of a single impurety in a crystal and a superconducting cavity will be optimized to reach a characteristic coupling frequency above 1 kHz. Such a coupling should be enough to detect a single electronic spin using a homodyne measurment of the field leaking out of the cavity [3], which would bring ESR to the ultimate sensibility. We thus recruit a Master research intern willing to pursue the internship by a PhD thesis in 2018 in two laboratories located at CEA University Paris-Saclay (18 months) and at Sherbrooke University (18 months).
The intern applicant having a solid background in quantum physics will participate to the ongoing research: design of microwave resonators for coupling to a spin, fabrication and test of these resonators, or ultra-low temperature measurement of hybrid circuits.
The intership is planned at CEA-Saclay, but could also possibly be at the Institut quantique from Sherbrooke if the intern prefers it.

[1] F. Beaudoin, D. Lachance-Quirion, W. A. Coish et M. Pioro-Ladrière, Coupling a single electron spin to a microwave resonator: Controlling transverse and longitudinal couplings, Nanotechnology 27, 464003 (2016).
[2] P. Haikka, Y. Kubo, A. Bienfait, P. Bertet et K. Molmer, Proposal for detecting a single electron spin in a microwave resonator, Physical Review A 95, 22306 (2017).
[3] A. Bienfait et al., Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance, Nature Nanotechnology 11, 253–257 (2016).
Le groupe Quantronique du CEA-Saclay et l’Institut quantique de l’Université de Sherbrooke collaborent à un projet de physique fondamentale visant à coupler un spin électronique unique à une cavité supraconductrice micro-onde. Deux approches seront explorées : Dans l’approche du Professeur M. Pioro-Ladrière de l’Institut quantique, le couplage spin-cavité sera médié par le degré de charge d’une double boîte quantique semi-conductrice. Le champ magnétique inhomogène créé par un micro-aimant à proximité de la double boîte permet d’obtenir une force de couplage spin-cavité de quelques MHz et de choisir, par design, entre un couplage purement longitudinal ou transverse [1]. La modulation paramétrique du couplage longitudinal sera utilisée afin d’étudier la possibilité d’effectuer une mesure non destructive du qubit de spin par la détection du signal sortant de la cavité supraconductrice [2]. Dans l’approche du groupe Quantronique, le couplage magnétique entre le spin d’une unique impureté dans un cristal et une cavité supraconductrice sera optimisé afin d’atteindre une fréquence caractéristique supérieure au kHz. Ce couplage devrait être suffisant pour détecter un spin électronique unique par une mesure homodyne de la cavité [3], réalisant ainsi la limite ultime de sensibilité de la résonance de spin. Nous recrutons donc un stagiaire de Master 2 prêt à poursuivre en 2018 une thèse en co-tutelle au CEA Université Paris-Saclay (18 mois) et à l’Université de Sherbrooke (18 mois).
Le candidat ayant de solide bases en physique quantique participera aux recherches en cours à son arrivé: conception de résonateurs micro-ondes pour couplage à un spin, fabrication et tests de tels résonateurs, ou mesures de circuits hybrides à ultra-basse température.
Le lieu du stage prévu est le CEA-Saclay, mais pourrait être éventuellement l’Institut quantique si le candidat le souhaite.

[1] F. Beaudoin, D. Lachance-Quirion, W. A. Coish et M. Pioro-Ladrière, Coupling a single electron spin to a microwave resonator: Controlling transverse and longitudinal couplings, Nanotechnology 27, 464003 (2016).
[2] P. Haikka, Y. Kubo, A. Bienfait, P. Bertet et K. Molmer, Proposal for detecting a single electron spin in a microwave resonator, Physical Review A 95, 22306 (2017).
[3] A. Bienfait et al., Reaching the quantum limit of sensitivity in electron spin resonance, Nature Nanotechnology 11, 253–257 (2016).

Mots clés/Keywords

circuits quantiques, spins
quantum circuits, spins

Compétences/Skills

Simulation et conception microonde, salle blanche, mesures électriques à basse température.
Microwave simulators, cleanroom, electrical measurements at low temperature

Logiciels

Labview, python, sonnet, etc

Transport thermoélectrique hors-équilibre dans des conducteurs quantiques
Nonequilibrium thermoelectric transport in quantum conductors

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FLEURY Genevieve
+33 1 69 08 73 47

Résumé/Summary

Etude théorique et numérique du transport thermoélectrique dans des systèmes quantiques mésoscopiques, en présence d'un paramètre extérieur dépendant rapidement du temps, poussant le système dans un régime hors-équilibre
Theoretical and numerical study of thermoelectric transport in mesoscopic quantum conductors, in the presence of a fast-varying time-dependent parameter pushing the system out of equilibrium.

Sujet détaillé/Full description

Les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier permettent la conversion d'énergie thermique en énergie électrique et vice-versa. La recherche en thermoélectricité s’est intéressée ces dernières années aux perspectives offertes par la nanostructuration. Des progrès importants ont été réalisés mais ils restent insuffisants au regard des applications ciblées. Un point commun à (presque) tous ces travaux est qu’ils se cantonnent à un régime proche de l’équilibre. Or c’est loin de l’équilibre que les performances thermoélectriques les plus intéressantes sont attendues. Des travaux théoriques récents [1] suggèrent notamment que l’utilisation d’un paramètre extérieur dépendant du temps, empêchant le système d’atteindre son équilibre, devrait avoir des conséquences positives sur le rendement thermoélectrique de nanostructures.

Parallèlement, des expériences innovantes de transport hautes fréquences dans des conducteurs quantiques ont vu le jour dans les laboratoires (notamment au SPEC, dans le groupe Nanoélectronique, où la première source à « lévitons » uniques a été implementée [2]). Ces expériences montrent la faisabilité d’une nouvelle thermoélectricité exploitant la dynamique interne des dispositifs. Elles posent également de nombreuses questions quant aux échanges d’énergie dans ces systèmes hors-équilibre, aux petites échelles spatiales et temporelles.

Nous proposons d'amorcer une étude théorique de la conversion thermoélectrique dépendante du temps dans des conducteurs quantiques. Nous exploiterons les outils numériques et le formalisme analytique récemment développés par nos collaborateurs de l’INAC, CEA Grenoble, pour l’étude du transport électronique résolu en temps [3]. Nous les adapterons au cas du transport thermoélectrique puis les testerons sur un modèle simple déjà résolu analytiquement dans [1]. L'outil développé pourra être utilisé à plus long terme sur divers systèmes (à base de semi-conducteur, graphène, supraconducteur, ...). La démarche adoptée sera également pertinente pour aborder certaines problématiques actuelles de thermodynamique quantique.

Le stage pourra se poursuivre par une thèse (financement "thèse phare du CEA").

REFERENCES
[1] Boosting thermoelectric efficiency using time-dependent control, H. Zhou, J. Thingna, P. Hänggi, J.-S. Wang & B. Li, Scientific Reports 5, 14870 (2015)
[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau & D. C. Glattli, Nature 502, 659 (2013)
[3] Numerical simulations of time resolved quantum electronics, B. Gaury, J. Weston, M. Santin, M. Houzet, C. Groth & X. Waintal, Physics Reports 534, 1 (2014). See also https://kwant-project.org/
Seebeck and Peltier thermoelectric effects provide an eco-friendly way of converting heat into electricity and vice-versa. Research in thermoelectricity has been rekindled in recent years by nanostructuration and the promising perspectives it offers. Important progress has been made but it remains insufficient from a practical standpoint. It turns out that till date, research studies in thermoelectricity have overwhelmingly focused on the near equilibrium regime. Yet it is acknowledged that promising thermoelectric performances are to be expected far from equilibrium. In particular, recent theoretical works suggest that the thermoelectric efficiency of nanodevices should be greatly enhanced by using an external time-dependent parameter driving the system out of equilibrium [1].

On the other hand, technical progress has led to the emergence of new experiments in nanoelectronics, operating at high frequency, in the GHz range or above (see for instance the realization of the first single “Leviton” source in SPEC, CEA-Saclay [2]). These experiments show that brand new studies probing dynamic TE transport in nanodevices are within grasp, from a technical standpoint. They also raise important fundamental questions about energy transfers at short length and time scales.

The goal of the internship is to start a theoretical and numerical investigation of time-dependent thermoelectric conversion in mesoscopic conductors. Using the numerical tools and analytical framework recently developed by our collaborators at INAC, CEA-Grenoble, for the study of time-resolved quantum transport in nanodevices [3], we will build up a numerical platform suitable for the study of dynamic thermal and thermoelectric transport and we will test it on a simple model analytically solved in [1]. At longer term, the platform will allow us to investigate various systems (made of semiconductor, graphene, superconductor, ...). Our approach will be also relevant for other current issues in quantum thermodynamics.

REFERENCES
[1] Boosting thermoelectric efficiency using time-dependent control, H. Zhou, J. Thingna, P. Hänggi, J.-S. Wang & B. Li, Scientific Reports 5, 14870 (2015)
[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau & D. C. Glattli, Nature 502, 659 (2013)
[3] Numerical simulations of time resolved quantum electronics, B. Gaury, J. Weston, M. Santin, M. Houzet, C. Groth & X. Waintal, Physics Reports 534, 1 (2014). See also https://kwant-project.org/

Mots clés/Keywords

Physique théorique, Physique quantique
Theoretical physics, Quantum physics

Compétences/Skills

Formalisme de Landauer-Büttiker, fonctions de Green hors-équilibre
Landauer-Büttiker formalism, nonequilibrium Green's function

Logiciels

Python; Kwant and t-Kwant softwares

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

01-05-2018

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 et TiO2 /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 and TiO2 /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 or TiO2 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

Etude expérimentale de l’anomalie dissipative dans un écoulement turbulent

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

07-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DUBRULLE Berengere
+33 1 69 08 72 47

Résumé/Summary

Le projet de ce stage, qui se prolonge en sujet de thèse, est de participer à la mise en place du programme expérimental en PIV-3D, puis au post-traitement et à l'analyse des données expérimentales pour mettre en évidence d'éventuelles singularités du champs de vitesse (cf Problème du Millenium).

Sujet détaillé/Full description

L'anomalie de dissipation, discuté par G.I. Taylor dès 1935, traduit le fait que la dissipation d'énergie ne décroit par avec la viscosité, ou lorsqu'on augmente la turbulence, mais au contraire, tend vers une valeur asymptotique constante, a priori non universelle. Cette observation est à la base de la théorie de Kolmogorov de la turbulence. Elle a été utilisée en 1949 par Onsager pour tirer une conclusion remarquable: dans la limite de viscosité nulle, le champ de vitesse ne reste pas différentiable. Cela signifie que l'anomalie dissipative pourrait être connectée à l'existence de singularités dans l’équation de Navier-Stokes.

Les "singularités" sont définies comme des points où la vitesse du fluide n'est plus assez régulière pour satisfaire les équations de Navier-Stokes, i.e. n'est plus deux fois dérivable. Des travaux récents [D00] prouvent que cette question n’est pas que d’un intérêt purement mathématique, puisqu’ils mettent en évidence une dissipation d’énergie non visqueuse au voisinage de singularités. Cela pourrait expliquer en partie l’anomalie de dissipation, comme l’avait déjà fait remarquer Onsager [O49]. La quête des singularités dans les équations de Navier-Stokes représente un problème non résolu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, rendent ce problème de nouveau d’actualité. En effet, en utilisant les progrès récents dans la visualisation des écoulements expérimentaux turbulents, il est maintenant possible de sonder un écoulement turbulent à l’échelle de Kolmogorov, et de mesurer ses trois composantes avec une bonne statistique.

Un projet de recherche ANR a été obtenue en 2016 avec le Laboratoire de Mécanique de Lille et l'équipe SPHINX du CEA Saclay (B. Dubrulle, F. Daviaud) pour étudier les structures dissipatives et tenter de détecter la présence de singularités dans un écoulement turbulent de von Karman. L'équipe SPHINX possède une longue expérience avec ce type d'écoulement qui est un candidat idéal pour l'étude des singularités potentielles des équations de Navier Stokes. Nous proposons dans cette thèse d’utiliser cet écoulement forcé avec différents types de turbines, en particulier fractales. L’idée est de forcer le fluide à différentes échelles et fréquences d’excitation de manière à favoriser le développement d’éventuelles singularités. Nous essaierons d’obtenir des mesures directes des champs de vitesse en zoomant à plusieurs échelles, pour chercher dans l’espace des échelles les différentes structures responsables de l’anomalie dissipative. Dans le cadre de l'ANR, des mesures de Particle Image Velocimetry 2D et 3D serons réalisées et une nouvelle méthode d’analyse multi-échelles similaire à la transformée en ondelettes sera développée.

Ce stage et cette thèse, financée par le projet ANR, sera réalisée en étroite collaboration avec l'équipe SPHINX du CEA. Le programme de la thèse sera déroulera en parallèle de plusieurs thèses théorique, numérique & expérimentales déjà engagées sur la même problématiques de singularités des équations de Navier Stokes. Le projet de cette thèse est de participer à la mise en place du programme expérimental en PIV-3D, puis au post-traitement et à l'analyse des données expérimentales. La thèse, co-dirigée par J-P Laval (CNRS) et J.-M. Foucaut (Prof. Centrale Lille), requiert une solide formation théorique en mécanique des fluides et si possible en mécanique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation et l'analyse numérique. Des compétences en numérique (Fortran, C Matlab ou Python seront appréciées).

Mots clés/Keywords

Turbulence, mathématique, physique statistique

Compétences/Skills

Stage et thèse, co-dirigés par J-P Laval (CNRS) et J.-M. Foucaut (Prof. Centrale Lille), requierent une solide formation théorique en mécanique des fluides et si possible en mécanique statistique, ainsi qu’un goût prononcé pour l’expérimentation et l'analyse numérique. Des compétences en numérique (Fortran, C Matlab ou Python seront appréciées).

Logiciels

Fortran, C Matlab ou Python

Etude de cellules cancéreuses et de bactéries à l'aide d'une biopuce à base de capteurs GMR
Development of lab on chip for the study of cancerous cells and/or bacterias

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

08-03-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

JASMIN-LEBRAS Guenaelle
+33 1 69 08 65 35

Résumé/Summary

Le développement de biopuces à base de capteurs GMR est un projet de biotechnologie pour la santé pour l’innovation diagnostique et thérapeutique. Il est basé sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs . Le véritable défi est d’obtenir un outil capable de détecter rapidement, de façon simple, sensible et spécifique, différents objets biologiques rares en réponse à un besoin d’urgence de diagnostic clinique et/ou de biosécurité
The development of Lab on chips based on GMR sensors is a project of biotechnology for the health, for the diagnostic and therapeutic innovation. It is based on the combination of magnetic particles labeled with the specific antibody of the biological target and their dynamic detection with sensors. The real challenge is to obtain a lab on chip able to detect quickly, in a simple, sensitive and specific way, very low quantitty of biological objects , in answer to an emergency need for clinical diagnosis and/or for biosafety.

Sujet détaillé/Full description

Le projet repose sur le principe fondamental des capteurs GMR (capteurs à magnétorésistance géante) qui permettent une détection locale de très faibles champs magnétiques. En attachant des billes magnétiques à des objets biologiques (cellules, bactéries, protéines), il est possible de détecter un à un ces objets labellisés lors de leur passage au-dessus du capteur.
Au cours de son stage, en collaboration avec une doctorante, l'étudiant optimisera et testera la biopuce constituée de capteurs GMR fabriqués au LNO et d'un canal microfluidique qu'il développera en salle blanche dont la hauteur varie en fonction de la taille des objets biologiques étudiés. Le marquage des objets biologiques a lieu au LERI(Laboratoire d'Etudes et de Recherches en Immunoanalyse). Au sein de ce laboratoire avec lequel nous collaborons, ll greffera sur des billes magnétiques des anticorps spécifiques de la cible à détecter et les incubera avec l’échantillon biologique d’intérêt. L’échantillon est ensuite injecté dans le canal microfluidique. Il optimisera le dispositif, ainsi que les différents tests nécessaires, pour distinguer de manière spécifique ces objets biologiques (cellules cancéreuses et/ou bactéries) et maîtriser les paramètres 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.
In this project, we are focusing on the detection of biological objects by using GMR sensors which allow a local detection of very weak magnetic fields.
The principle is to incorporate magnetic particles labeled with the proper specific antibody in a solution containing the biological fluid and to inject the solution in a microfluidic channel where sensitive magnetic sensors are placed underneath. A perpendicular magnetic field is magnetizing the magnetic particles and the stray dipolar field of the magnetic particles is detected. The signal produced by a labeled cell is much larger than magnetic nanoparticles and hence, it is possible to count single cells During the training period, in collaboration with a PhD-student, the student will optimize and will test the lab on chip integrating GMR sensors and a microfluidic channel made in clean room for which height varies according to the size of the studied biological objects. In collaboration with the biologists of the LERI Laboratoire d'Etudes et de Recherches en Immunoanalyse), he will label magnetic particles with the specific antibody of the biological target to detect. He will optimize the lab on chip as well as the various tests necessary to distinguish in a specific way these biological objects (cancer cells and/or bacteria) and to control the different involved parameters. He will analyze the results by developing simulations.

Mots clés/Keywords

Spintronique, microfluidique, biotechnologie, électronique
Spintronic microfluidic biotechnology

Compétences/Skills

Techniques de salle blanche, technique de dépôt par MBE, mesures magnétiques. Préparation d'échantillons biologiques,
Cleaning room technicals. , MBE technical, electronic. magnetic measurements

Logiciels

Mathematica, pascal ou fortran.

Les iridates : une nouvelle famille d'oxydes (base iridium) aux propriétés remarquables

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MOUSSY Jean-Baptiste
+33 1 69 08 72 17

Résumé/Summary

Nous proposons dans ce stage de réaliser la croissance cristalline de nouveaux composés de la famille des iridates (ex: Sr3Ir2O7) sous la forme de monocristaux et de films minces afin d’explorer leurs propriétés électroniques (nouvelles phases topologiques, nouveaux isolants de Mott).

Sujet détaillé/Full description

Des cristaux du composé pur Sr3Ir2O7 seront synthétisés et des dopages en électrons seront réalisés grâce à des substitutions cationiques (Sr/La). Les cristaux seront ensuite caractérisés par diffraction X et mesures magnétiques . Pour les films minces, nous utiliserons une nouvelle technique de croissance sous ultra-vide développée au laboratoire : l'ablation laser pulsée (PLD). Un soin tout particulier sera porté sur les caractérisations structurales et physiques des films réalisés grâce aux techniques présentes au laboratoire : diffraction d'électrons (RHEED), spectroscopie de photoémission (XPS/UPS), microscopie en champ proche (AFM), magnétisme (SQUID, VSM). Les propriétés électroniques des échantillons seront ensuite étudiées en collaboration avec le LPS-Orsay, notamment l'effet Hall de spin quantique, qui correspond à la signature d'un état topologique.

Manipulation de l'état quantique d'excitations supraconductrices individuelles dans des nanofils
Manipulation of the quantum state of individual superconducting excitations in nanowires

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

GOFFMAN Marcelo
+33 1 69 08 55 29

Résumé/Summary

En contactant des nanofils semiconducteurs entre des électrodes supraconductrices, on crée des états localisés dont on se propose de faire la manipulation quantique cohérente.
We propose to develop experiments aiming at the quantum manipulation of localized states that arise in semiconducting nanowires connecting superconducting electrodes.

Sujet détaillé/Full description

Les électrons dans les supraconducteurs forment des paires de Cooper auxquelles on n'a pas accès individuellement parce qu'elles sont superposées et délocalisées. Des états localisés apparaissent pourtant dans les liens faibles entre électrodes supraconductrices. En utilisant des contacts atomiques, nous avons fait la spectroscopie de ces états [1] et démontré la manipulation cohérente de paires de Cooper localisées [2].

L'objet du stage est de développer des expériences similaires avec des nanofils semiconducteurs d'InAs comme liens faibles entre des supraconducteurs. On s'attend à ce que les temps de cohérence quantique soient plus longs ; en outre, il devrait être possible de manipuler le spin d'électrons localisés parce que le couplage spin-orbite est fort dans l'InAs.

L'étudiant(e) abordera des concepts avancés en mécanique quantique et en supraconductivité. Il apprendra aussi des techniques expérimentales variées : la nanofabrication, les basses températures, les mesures bas-bruit et les mesures microonde. Il/elle sera intégré/e dans un groupe de recherche actif dans le domaine de l'électronique quantique.

[1] L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact”
Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091
[2] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts”
Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961
Electrons in superconductors form Cooper pairs that cannot be probed individually because they are delocalized and overlapping. However, localized states appear at weak links between superconducting electrodes. Using atomic contacts as a weak link, we performed the spectroscopy of these localized states [1] and demonstrated the quantum manipulation of a localized Cooper pair [2].
During the internship, we plan to develop similar experiments with InAs semiconducting nanowires. Longer coherence times are expected, and, because of the strong spin-orbit coupling in InAs, one should also be able to manipulate the spin of localized electrons.

The student will be integrated in an active research group on quantum electronics and get acquainted with advanced concepts of quantum mechanics and superconductivity. He/she will also learn several experimental techniques: low temperatures, low-noise and microwave measurements, and nanofabrication.

[1] L. Bretheau et al., “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact”
Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091
[2] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts”
Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961

Mots clés/Keywords

Physique mésoscopique, supraconductivité, effet Josephson, électrodynamique quantique en circuit.
Mesoscopic Physics, Superconductivity, Josephson effect, quantum electrodynamics circuits.

Compétences/Skills

Pour ce sujet, l’étudiant(e) devra développer une compréhension approfondie de la mécanique quantique, et apprendra des techniques variées : la nanofabrication, les basses températures, les mesures bas-bruit et les mesures microonde. Il/elle sera intégrée dans un groupe de recherche actif dans le domaine de l’électronique quantique.
The subject requires the student to develop a good understanding of quantum physics, and to learn and master different techniques: nanofabrication, low temperatures, low-noise and microwave measurements. He/she will be integrated in an active research group on quantum electronics.

Nouveaux composants spintroniques à base de matériaux anti-ferromagnétiques

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

MOUSSY Jean-Baptiste
+33 1 69 08 72 17

Résumé/Summary

Ce stage vise à démontrer que des parois de domaines anti-ferromagnétiques (AF) peuvent être déplacées et détectées dans des films minces isolants, permettant ainsi d'envisager leur utilisation comme éléments mémoires de haute densité pour la spintronique.

Sujet détaillé/Full description

Dans un premier temps, la croissance cristalline de films minces d'oxydes anti-ferromagnétiques (AF) sera réalisée grâce à une expérience d'ablation laser pulsée (PLD). La visualisation des parois de domaines AF sera ensuite obtenue par la technique d'imagerie par génération de seconde harmonique (SHG) développée récemment au laboratoire. La SHG est en effet l'une des rares techniques à permettre l'observation des domaines AF grâce à l'interaction de la lumière avec des cristaux non centro-symétriques. Ensuite, l'ordre AF sera manipulé par des courants de spin générés via un effet d'interface nouvellement découvert, basé sur le couplage spin-orbite et permettant un échange de moment angulaire entre les électrons de conduction d'un métal de matériau lourd et le film isolant AF en contact.

Mesure du spectre d'excitation d'un skyrmion individuel
Measurement of the excitation spectrum of an individual skyrmion

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DE-LOUBENS Grégoire
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary

Les skyrmions magnétiques sont des singularités topologiques intéressantes pour le stockage et le transfert d'information. Le but de ce stage est d'utiliser une technique expérimentale de champ proche unique pour étudier la dynamique d'un skyrmion individuel stabilisé dans un nano-disque magnétique.
Magnetic skyrmions are topological singularities of interest for information storage and processing. The goal of this internship will be to use a unique near field microscopy technique to study the dynamics of a single skyrmion stabilized in a magnetic nano-disk.

Sujet détaillé/Full description

Les skyrmions sont des singularités topologiques qui peuvent apparaître dans certains matériaux magnétiques où une interaction spécifique, dite de "Dzyaloshinskii-Moriya" (DM), est suffisamment intense pour forcer un état d'équilibre de l'aimantation non colinéaire. Ces objets topologiques sont des candidats intéressants pour le stockage et le transfert d'information, car ils sont naturellement couplés à la spintronique [1]. Néanmoins, leur stabilité et leur dynamique restent à être étudiées. Récemment, il a été démontré que de telles structures, de taille typique quelques dizaines de nanomètres, pouvaient être stabilisées à température ambiante, notamment dans des nano-disques fabriqués à partir de multicouches présentant une forte interaction DM [2]. Leur spectre d'excitation a également été calculé [3], mais jamais encore mesuré. Le but de ce stage est d'utiliser un microscope de force par résonance magnétique (MRFM) disponible au laboratoire pour étudier la dynamique d'un skyrmion unique. Cette technique de champ proche, qui utilise une sonde magnétique placée à l'extrémité d'un levier mécanique très souple pour détecter la résonance magnétique est d'une grande sensibilité, puisqu'elle a déjà permis d'étudier la dynamique d'un vortex dans un nano-disque magnétique [4].

Ce travail de stage pourra se poursuivre par une thèse dans le laboratoire d'accueil, en co-tutelle avec l'unité mixte CNRS/Thales, dans le cadre du projet ANR TOPSKY.

[1] J. Sampaio, et al., Nucleation, stability and current-induced motion of isolated magnetic skyrmions in nanostructures, Nature Nanotechnology 8, 839-844 (2013)
[2] C. Moreau-Luchaire, et al., Additive interfacial chiral interaction in multilayers for stabilization of small individual skyrmions at room temperature, Nature nanotechnology 11, 444-448 (2016)
[3] J.-V. Kim, et al., Breathing modes of confined skyrmions in ultrathin magnetic dots, Phys. Rev. B 90, 064410 (2014)
[4] G. de Loubens, et al., Bistability of vortex core dynamics in a single perpendicularly magnetized nanodisk, Phys. Rev. Lett. 102, 177602 (2009)
Magnetic skyrmions are topological singularities appearing in magnetic materials with strong Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), which favor non-colinear configurations of the magnetization. These topological objects are interesting candidates for information storage and processing, as they are naturally coupled to spintronics [1]. Nevertheless, their stability and dynamics still have to be investigated. Recently it has been demonstrated that such structures having typical size of a few tens of nanometers could be stabilized at room temperature in nanodisks patterned from multilayers with strong DMI [2]. Their excitation spectrum has also been calculated [3], but never measured. The goal of this internship is to use a magnetic resonance force microscope (MRFM) to study the dynamics of an individual skyrmion. This near field microscopy technique uses a magnetic probe attached at the end of a very soft mechanical cantilever to detect magnetic resonance in nanostructures [4].

This master thesis can be followed by a PhD thesis, in collaboration with the CNRS/Thales laboratory, in the frame of the ANR project TOPSKY.

[1] J. Sampaio, et al., Nucleation, stability and current-induced motion of isolated magnetic skyrmions in nanostructures, Nature Nanotechnology 8, 839-844 (2013)
[2] C. Moreau-Luchaire, et al., Additive interfacial chiral interaction in multilayers for stabilization of small individual skyrmions at room temperature, Nature nanotechnology 11, 444-448 (2016)
[3] J.-V. Kim, et al., Breathing modes of confined skyrmions in ultrathin magnetic dots, Phys. Rev. B 90, 064410 (2014)
[4] G. de Loubens, et al., Bistability of vortex core dynamics in a single perpendicularly magnetized nanodisk, Phys. Rev. Lett. 102, 177602 (2009)

Mots clés/Keywords

Nanomagnétisme, skyrmion, résonance magnétique, spintronique
Nanomagnétism, skyrmion, magnetic resonance, spintronics

Projet "ToughGlasses" : Amélioration de la réponse des verres d’oxydes à la corrosion sous contrainte
ToughGlasses: Researching tomorrow’s glasses today

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30-03-2018

Durée

2 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ROUNTREE Cindy
+33 1 69 08 26 55

Résumé/Summary

Ce "Projet de recherche conjoint - PRC" du CNRS est motivé par la nécessité d'évaluer puis améliorer la durabilité mécanique des verres. Les verres sont des matériaux indispensables dans les technologies qui nécessitent des matériaux résistant à la chaleur (panneaux de protection). On les trouve en particulier dans les techniques associées à la production d'énergie bas-carbone, ou permettant d'affronter des environnements hostiles (satellite spatial)....
Dans ces environnements, les verres subissent de nombreux dommages (craquage par corrosion sous contrainte, tempêtes de sable, irradiations externes, températures élevées ...) qui peuvent entraîner une défaillance prématurée et des modifications des propriétés physiques et mécaniques. Les verres qui subissent une séparation de phase amorphe sont connus pour être résistants à l'écrasement. Cependant, leurs propriétés de "fracture par corrosion sous contrainte (CSC)" sont encore trop peu connues. La question qui sera abordée est ici de comprendre comment le comportement de CSC en présence d'une phase amorphe démixée, comparée au verre natif.
This project is a fundamental CNRS-joint research project (PRC) motivated by the need to improve and assess the glasses’ mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts of heat resistant technologies, protection panels, low-carbon energies, satellites…. These systems and others undergo a variety of damage (stress corrosion cracking, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and alterations of the physical and mechanical properties. Glasses that undergo amorphous phase separation are known to be crush resistant. However, their Stress Corrosion Cracking (SCC) properties are outside the current knowledge available in literature. Hence, the question here how does the SCC behavior change in an amorphous phase separated glass versus is pristine counterpart.

Sujet détaillé/Full description

C’est un projet de recherche fondamentale (CNRS - Projets de recherche conjoints (PRC) ) motivé par la nécessité de prédire (puis contrôler et améliorer) l’effet de la composition chimique sur la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes font partie de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) subissant des sollicitations variées (corrosion sous contrainte, vents, irradiations, température élevée…) pouvant amener endommagement intempestif et/ou altération de leurs fonctionnalités. Or, si on connait bien l’effet de la composition chimique sur nombre de ses propriétés physiques (température de transition vitreuse, transparence, propriétés calorifiques…), peu de choses sont connues sur la façon dont cette composition impacte le comportement en rupture ou en corrosion sous contrainte.

Cette thèse se propose donc d’étudier la fracturation de plusieurs compositions de verres à base de SiO2-B2O3-Na2O dans la zone de démixtion. Pour ce faire, des fractures dont la vitesse est contrôlée par la contrainte externe et par le degré d’humidité ambiant seront initiées dans les échantillons et une caractérisation des surfaces fracturées sera réalisée post mortem par des observations à l’aide d’un AFM (Atomic Force Microscopy). Cette méthode, éprouvée depuis de longues années par le groupe, permet de mesurer l’enchaînement des différents régimes de rugosité avec la distance. Elle sera appliquée aux différents échantillons. Les modifications du processus de fracturation selon le changement de la composition des verres seront ainsi mises en évidence.

En parallèle aux expériences de fracturation, différentes analyses visant à caractériser les propriétés élastiques des échantillons (microscopie acoustique) ainsi que leurs structures (Raman, RMN, WAXS…) seront menées de manière à corréler le comportement à la fracturation des verres avec d’autres propriétés macroscopiques et microscopiques.
"ToughGlasses" is a fundamental research project motivated by the need to improve and assess glasses mechanical durability over the long term. Glasses are integral parts our daily lives (buildings, cars, dishes…) along with being integral parts of heat resistant technologies, protection panels (smart phones, plasma screens…), low-carbon energies (protection for solar panels) and satellites in outer space to name a few. These systems and others undergo a variety of damage (consumer use, sand storms, external irradiations, high temperatures…) which can lead to premature failure and/or alterations of the physical and mechanical properties. Frequently, post-mortem failure studies reveal material flaws which were propagating via Stress Corrosion Cracking (SCC). A recent question arriving in the field has been: Can the Amorphous Phase Separation (APS) of SiO2-B2O3-Na2O (SBN) glasses provide the necessary structure to enhanced SCC behavior? ToughGlasses aim is to fill this gap and to unravel the secret behind enhanced SCC behavior.

The Ph.D. candidate will have the opportunity to study the physical, mechanical and stress-corrosion cracking properties of APS glasses. The primary objective of this study will be to observe stress corrosion crack propagation in situ and the analysis of fracture surfaces in several pristine and APS glasses. Hence, providing information on environmental limit of stress corrosion cracking and understanding of how the crack growth occurs in APS glasses. This method was previously used in our group to study the process zone size versus the crack front velocity in pure silica (SiO2) and several SBN samples. Repeating this study for SBN APS glasses compositions will aid in the understanding of how the physical structure of glasses alters the mechanical properties. In conjunction with the primary objective, the candidate will have the occasion to characterize the elastic properties of the samples and their structures (Raman, NMR spectroscopy, X-ray absorption …) with various collaborators including collaborators in CEA, DEN and University of Rennes. This will allow for a comparison of the fracture behavior of glasses with other macroscopic and microscopic properties.

Logistically, the PhD candidate will be co-advised by C. L. Rountree at CEA and F. Célarié at Université de Rennes 1. Glass formation and preliminary tests will occur at Université de Rennes 1 and stress corrosion cracking tests along with other tests will be carried out at CEA. In conclusion, the theme of this project is the comprehension of the source of the changes in the macroscopic property, and in particular how to control the stress corrosion cracking properties by varying the structure of glasses through Amorphous Phase Separation.

Mots clés/Keywords

Verre, AFM microscopie, Raman, RMN
Glasses, AFM, Raman, NMR, spectroscopy

Compétences/Skills

AFM, NMR, RAMAN
AFM, NMR, RAMAN

Logiciels

Matlab

Etude Théorique de l’influence de molécules adsorbées sur l’anisotropie magnétique de couches minces.
Theoretical investigation of the influence of adsorbed molecules on the magnetic anisotropy of magnetic thin films

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

22-03-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETEAU Cyrille
+33 1 69 08 38 56

Résumé/Summary

Dans ce stage nous nous proposons d’étudier à l’aide de méthodes de calcul de structure électronique ab-initio et/ou liaisons fortes l’anisotropie magnétique de quelques systèmes simples. On considéra dans un premier temps des couches de cobalt et/ou fer en interaction avec du monoxyde de carbone. Ensuite des molécules plus complexes seront considérées. L’objectif final étant de trouver les systèmes molécule/substrat qui présentent les propriétés optimales en vue de possibles applications.
In this internship we propose to study via electronic structure methods (ab-initio and/or tight-binding) the magnetic anisotropy of few simple systems. We will first consider cobalt and iron thin films in interaction with carbon monoxide. More complex systems will be further investigated. The final goals is to find systems molecule/substrate with optimal properties in view of possible applications.

Sujet détaillé/Full description

Le nanomagnétisme est un domaine très fécond à la frontière de nombreuses disciplines. Il consiste en l’étude (et l’utilisation) du magnétisme de systèmes de taille nanométrique. Les propriétés magnétiques des nano-objets sont en générale fortement modifiées par rapport à leur équivalent volumique. L’enjeu est d’arriver à contrôler/manipuler leur propriétés magnétiques. Une des propriétés fondamentales des matériaux magnétiques est leur anisotropie qui est caractérise par des directions d’aimantation préférentielles. Récemment il a été démontré que l’interaction d’une couche mince magnétique avec des molécules pouvait modifier fortement l’anisotropie de cette couche du fait de l’hybridation entre la molécule et les atomes de la surface du substrat.
Dans ce stage nous nous proposons d’étudier à l’aide de méthodes de calcul de structure électronique ab-initio et/ou liaisons fortes l’anisotropie magnétique de quelques systèmes simples. On considéra dans un premier temps des couches de cobalt et/ou fer en interaction avec du monoxyde de carbone. Ensuite des molécules plus complexes seront considérées. L’objectif final étant de trouver les systèmes molécule/substrat qui présentent les propriétés optimales en vue de possibles applications. Ce stage pourra déboucher sur une thèse dans le cadre d’un projet européen impliquant 6 partenaires de différents pays (France, Danemark, Allemagne, Espagne).
Nanomagnetism is an active field at the frontier of various domains. It consists in the study (and use) of the magnetism of nanometer sized systems. Magnetic properties of nano-objects generally strongly differ from their bulk counterpart. A major issue is to control/manipulate their magnetic properties. One of the fundamental properties of magnetic materials is their magnetic anisotropy which is characterized by their easy axis. It has been recently demonstrated that the interaction between a magnetic thin film and adsorbed molecules can greatly modify the anisotropy of the film due to hybridization between the molecule and the surface atoms of the substrate
In this internship we propose to study via electronic structure methods (ab-initio and/or tight-binding) the magnetic anisotropy of few simple systems. We will first consider cobalt and iron thin films in interaction with carbon monoxide. More complex systems will be further investigated. The final goals is to find systems molecule/substrate with optimal properties in view of possible applications. This internship can be pursued by a PhD in the context of a European project involving 6 partners from various EU countries (France, Denmark, Germany, Spain)

Mots clés/Keywords

nanomagnétisme, structure électronique, anisotropie magnétique
nanomagnetism, electronic structure, magnetic anisotropy

Compétences/Skills

Théorie de la fonctionnelle de la densité liaisons fortes
Density functional theory tight-binding

Logiciels

Fortran, python quantum espresso ATK/VNL

Mesure dynamique la puissance dissipée dans les écoulements turbulents
Dynamical measurement of the dissipated power in turbulent flows

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-03-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

AUMAITRE Sebastien
+33 1 69 08 74 37

Résumé/Summary

Cette thèse combinera des approches de pointe en optique et des mesures mécaniques afin de réaliser une mesure instantanée de la dissipation et des transferts d’énergie en turbulente . Elle permettra de répondre à des questions ouvertes et fondamentales en turbulence ayant des application dans nombreuses situations pratiques.
During this PhD thesis, we will combine mechanical measurements and advanced optical methods in order to estimate the instantaneous dissipation and the energy transfers in turbulent flows. It will allow us to answer some fondamental questions of turbulence that have many pratical applications.

Sujet détaillé/Full description

La turbulence est un processus non-linéaire qui dissipe de façon extrêmement efficace l’énergie cinétique d’un écoulement : l’énergie injectée aux grandes échelles est transférée à des échelles suffisamment petites pour que la viscosité la dissipe. Cette phénoménologie conduit aux lois de Kolmogorov qui décrivent les quantités turbulentes en moyenne temporelle.

Cependant, de nombreux processus physiques ne sont pas pilotés par ces quantités moyennes, mais pas leurs intenses fluctuations : l’efficacité du mélange turbulent dépend des gradients de vitesse, qui fluctuent fortement dans le temps. L’effort maximal sur une paroi dépend des fluctuations du gradient local de vitesse au voisinage immédiat de celle-ci. Enfin, les collisions entre gouttelettes d’eau dans un nuage, ou entre particules dans un disque proto-planétaire sont également gouvernées par la statistique des petites échelles de l’écoulement.

L’objectif de la thèse est donc de développer une méthode de mesure innovante pour déterminer la dynamique temporelle de la dissipation turbulente. L’approche expérimentale reste prépondérante en turbulence fluide car elle permet d’atteindre des régimes beaucoup plus fortement turbulents que la simulation numérique, avec un nombre de Reynolds 100 à 1000 fois plus grand. La difficulté est alors d’accéder aux petites échelles de ces écoulements de laboratoire.

Pour ce faire, nous proposons d’adapter une méthode issue de l’optique et de la physique des matériaux : après avoir ensemencé le fluide de particules, on imagera à l’aide d’une caméra ultra-rapide les champs de speckle issus de la diffusion multiple d’un laser cohérent. Les propriétés du champ de speckle sont alors directement liées à la statistique des gradients de vitesse de l’écoulement.

Cette méthode permet d’accéder à la dynamique temporelle de la dissipation turbulente, aussi bien dans la totalité du volume de l’écoulement que dans une couche limite turbulente. Elle sera couplée aux méthodes mesures de vitesse existantes (Particle Image Velocimetry, fils chauds, vélocimétrie acoustique Doppler) afin de caractériser les lois gouvernant la dynamique temporelle de la dissipation turbulente.

Cette thèse vise à combiner des approches de pointe en optique et en physique des matériaux afin de réaliser une mesure instantanée de la dissipation turbulente. Cette approche permettra de répondre à des questions ouvertes et fondamentales en turbulence fluide, qui trouvent des applications à de nombreuses situations pratiques.

Mots clés/Keywords

Turbulence, Système hors équilibre, Spectroscopie par diffusion multiple,

Logiciels

Matlab, LabView

Injection de spin dans des interfaces bidimensionnelles d'électrons
Spin injection in 2-D interface states

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

28-03-2018

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VIRET Michel
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary

Le but du stage est d'injecter des spins dans des systèmes électroniques bidimensionnels à fort couplage spin-orbite afin d'étudier la conversion spin/charge.
The subject aims at studying the spin to charge conversion by 2-D interface states with strong spin-orbit coupling.

Sujet détaillé/Full description

Spintronics relies on the discrimination of spin up and down carriers originally generated by charge currents in metallic ferromagnets. Recent developments aim to get rid of this source of dissipation by manipulating pure spin currents without their charge counterpart. One convenient way of achieving this is to use the spin-orbit coupling (SOC) interaction in a non-magnetic heavy metal like Pt. The interaction relies on a preferential directional scattering of electrons of different spins resulting in the generation of a spin current transverse to a charge current called the Spin Hall Effect (SHE). As signals should eventually be read as voltages, it is important to efficiently convert spin into charge, which can also be done using the inverse Spin Hall effect. Very recently, another SOC effect based on the Rashba interaction was shown to be more efficient. The effect stems from the joint action of the SOC and built-in electric potentials in two-dimensional electron gases existing at surfaces, interfaces or semiconductor quantum wells. Lastly, similar physics is at play in topological insulators, materials which are insulating in the bulk but conducting at their surfaces due to broken symmetry inducing topological states.
The Inverse (Rashba) Edelstein Effect (IEE) was first demonstrated in 2013 in the Ag/Bi interface. We have confirmed the origin of this effect and also studied other 2-D gases like that at the LaAlO3/SrTiO3 interface. A 2D electron liquid appears between these two insulators when LaAlO3 is epitaxially grown on TiO2-terminated SrTiO3 along the [001] direction. Electrons are transferred to the interface to compensate for the polar discontinuity present between the two materials. A strong Rashba spin-orbit interaction also results from the breaking of inversion symmetry, whose strength can be tuned by applying an external electric field. Several measurements remain to be carried out in this system including in-plane dependences of the Rashba coefficient, tunneling of a pure spin current through the LaAlO3 barrier and the influence of the ferroelectric instability in doped SrTiO3. Some other systems can also be envisioned like interface states in topological insulators like the irridates SrIr2O4.
The ‘stage’ proposed here will consist in measuring these properties as spins are injected by ferromagnetic resonance and laser induced ultra-fast excitation of a ferromagnet. Both techniques are mastered in our laboratory and the latter is very promising as it can give very interesting information concerning time-resolved injection and spin lifetime. The LAO/STO samples come from the University of Geneva while irridates are synthesized in our group by Pulsed Laser Deposition.
Spintronics relies on the discrimination of spin up and down carriers originally generated by charge currents in metallic ferromagnets. Recent developments aim to get rid of this source of dissipation by manipulating pure spin currents without their charge counterpart. One convenient way of achieving this is to use the spin-orbit coupling (SOC) interaction in a non-magnetic heavy metal like Pt. The interaction relies on a preferential directional scattering of electrons of different spins resulting in the generation of a spin current transverse to a charge current called the Spin Hall Effect (SHE). As signals should eventually be read as voltages, it is important to efficiently convert spin into charge, which can also be done using the inverse Spin Hall effect. Very recently, another SOC effect based on the Rashba interaction was shown to be more efficient. The effect stems from the joint action of the SOC and built-in electric potentials in two-dimensional electron gases existing at surfaces, interfaces or semiconductor quantum wells. Lastly, similar physics is at play in topological insulators, materials which are insulating in the bulk but conducting at their surfaces due to broken symmetry inducing topological states.
The Inverse (Rashba) Edelstein Effect (IEE) was first demonstrated in 2013 in the Ag/Bi interface. We have confirmed the origin of this effect and also studied other 2-D gases like that at the LaAlO3/SrTiO3 interface. A 2D electron liquid appears between these two insulators when LaAlO3 is epitaxially grown on TiO2-terminated SrTiO3 along the [001] direction. Electrons are transferred to the interface to compensate for the polar discontinuity present between the two materials. A strong Rashba spin-orbit interaction also results from the breaking of inversion symmetry, whose strength can be tuned by applying an external electric field. Several measurements remain to be carried out in this system including in-plane dependences of the Rashba coefficient, tunneling of a pure spin current through the LaAlO3 barrier and the influence of the ferroelectric instability in doped SrTiO3. Some other systems can also be envisioned like interface states in topological insulators like the irridates SrIr2O4.
The ‘stage’ proposed here will consist in measuring these properties as spins are injected by ferromagnetic resonance and laser induced ultra-fast excitation of a ferromagnet. Both techniques are mastered in our laboratory and the latter is very promising as it can give very interesting information concerning time-resolved injection and spin lifetime. The LAO/STO samples come from the University of Geneva while irridates are synthesized in our group by Pulsed Laser Deposition.

Mots clés/Keywords

spintronique

Compétences/Skills

Pulsed laser deposition (PLD). Structural characterizations (X-ray and electron diffraction), near field microscopies (AFM). Optical magnetic imaging with second harmonics (SHG). Lasers (Nd-YAG, femto-second Ti:Al2O3 ). Magnetism (SQUID, VSM). Electronic transport measurements.

Logiciels

Python, origin.

Forçage radiatif d'un écoulement convectif turbulent
Radiative forcing of turbulent thermal convection

Spécialité

Hydrodynamique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

02-05-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Gallet Basile
+33 1 69 08 41 03

Résumé/Summary

Ce problème de physique fondamentale s'applique à de nombreux écoulements naturels. L'approche multi-méthodes - expérimentale, théorique et numérique - permettra au doctorant de développer une connaissance globale des outils de la physique non-linéaire et de la dynamique des fluides géophysiques.
Many natural convective flows are directly driven by a flux of light. This is a central ingredient of Geophysical Fluid Dynamics, which we will study using a combination of experimental, numerical and theoretical methods.

Sujet détaillé/Full description

De nombreux écoulements naturels ont pour origine la convection thermique : l’ensoleillement est plus important au voisinage de l’équateur qu’aux pôles de la Terre, ce qui engendre les intenses mouvements turbulents atmosphériques et les courants océaniques. De même, les écoulements à l’intérieur des planètes et des étoiles résultent de la forte différence de température entre le cœur et la surface de ces objets. Dans le bilan énergétique de ces écoulements, la quantité centrale est le transfert turbulent de chaleur : quelle est la capacité d’un écoulement convectif turbulent à transporter la chaleur d’une région chaude vers une région froide ?

Pour ces écoulements naturels le chauffage est souvent réalisé en volume, soit par décroissance radioactive (manteau terrestre), soit par transfert de photons (étoiles, océans, lacs) ou même de neutrinos (supernovæ). Un des objectifs du projet ERC FLAVE est donc de réaliser l'étude d’écoulements convectifs engendrés itérativement. Le Stagiaire / doctorant sera amené à combiner les approches expérimentale, numérique et théorique afin de caractériser le régime turbulent d'une telle convection radiative. L'objectif est la détermination de lois d’échelles qui pourront être extrapolées aux régimes planétaires et astrophysiques.

Cette thèse porte donc sur une problématique rencontrée dans de nombreux écoulements naturels. L'approche multi-méthodes - expérimentale, théorique et numérique - permettra au doctorant de développer une connaissance globale des outils de la physique non-linéaire et de la dynamique des fluides géophysiques. Il répondra à des questions de physique fondamentale qui trouvent des applications en géophysique, en océanographie et en astrophysique.

Mots clés/Keywords

Dynamique des fluides géophysiques, turbulence, physique non-linéaire.
Geophysical Fluid Dynamics, turbulence, nonlinear physics.

Compétences/Skills

Expériences de laboratoire (vélocimétrie, imagerie IR) Simulation numérique directe Développement asymptotiques
Lab experiments Direct Numerical Simulations Asymptotic methods

Mouvement collectif : Coupler synchronisation interne et externe
Active matter : Coupling internal and external synchronization

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

06-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHATE Hugues
+33 1 69 08 73 46

Résumé/Summary

Sujet détaillé/Full description

Les modèles simples de mouvement collectifs peuvent être vus comme des systèmes pour lesquels les degrés de liberté orientationels cherchent à se synchroniser (de manière à ce que les particules se déplacent ensemble). De nombreux organismes actifs, vivants ou autopropulsés possèdent des degrés de liberté internes, modes d'oscillation, pouvant se synchroniser les uns avec les autres sous contact, puis influer le mouvement. Cela a par exemple été observé chez myxobacteria, qui, de temps en temps, inverse spontanément son mouvement: A densité élevée, ces renversements de mouvement peuvent se synchroniser, et amènent alors des effets collectifs dans le mouvement des groupes.
Le but du projet est de proposer un cadre théorique générale prenant en compte le couplage entre synchronisation de degrés de liberté internes et direction du mouvement. Un tel cadre générale fait actuellement défaut, au-delà des travaux spécifiques sur les myxobacteria. Des travaux récents dans le domaine de la "sociophysique", ont étudiés comment les contacts entre des marcheurs aléatoires peuvent créer des "réseaux sociaux" et comment, des populations composées de tels agents peuvent synchroniser leurs "opinions". Néanmoins, ces travaux ne prennent pas en compte le fait que le mouvement des agents peut lui-même être influencé par leur "opinion". En particulier, le cas d'une rétroaction de degrés de liberté internes sur le mouvement des particules n'a pas été exploré.
Dans un premier temps, il s'agira d'étudier des modèles minimaux pour lesquels des phénomènes non-triviaux émergent du coulage entre degrés de liberté internes et mouvement. Dans un deuxième temps, il s'agira de dériver des théories effectives continues de ces systèmes en utilisant différentes techniques analytiques et théoriques.
Références :
- Breaking symmetry in myxobacteria. OA Igoshin, D Kaiser, G Oster, Current Biology 14 (12), R459 (2004)
- K. Uriu, S. Ares, A. C. Oates, and L. G. Morelli, Phys. Biol. 9, 036006 (2012)
Simple models for collective motion can be seen as systems where orientational degrees of freedom (along which particles move) try to synchronize (in which case particles move together). Many active, living, self-propelled organisms also have internal oscillatory degrees of freedom which may themselves try to synchronize upon contact and that can have, in turn, some influence on motion. This has been observed for myxobacteria, which spontaneously reverse their walk from time to time: at high densities, these reversals can synchronize, leading to collective effects in the displacement of groups.
The goal of this project is to explore the general theoretical idea of a non-trivial two-way coupling between synchronization of internal degrees of freedom and direction of motion. So far, apart from works modeling the case of myxobacteria, no general framework has been proposed. Recent work, in "sociophysics", investigates how contacts between (random) walkers generate "social networks" and how populations of such moving agents can synchronize ";opinions" but the agent's motion is not influenced by the "opinion" they carry. The interesting case of a supplementary, reverse, feedback of internal degrees of freedom on the motion of particles has not been explored.
Starting from the case of myxobacteria, the project will consist of studying minimal models displaying non-trivial emergent phenomena due to the two-way coupling of internal degrees of freedom and motion. In a second stage, continuous effective theories of these systems will be derived and studied, using various analytical and numerical techniques.
References:
- Breaking symmetry in myxobacteria. OA Igoshin, D Kaiser, G Oster, Current Biology 14 (12), R459 (2004)
- K. Uriu, S. Ares, A. C. Oates, and L. G. Morelli, Phys. Biol. 9, 036006 (2012)

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

27-04-2018

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

Les phases structurales des couches minces ferroélectriques sous contrainte étudiées par la diffraction des photoélectrons
X-ray photoelectron diffraction study of structural phases in epitaxially strained ferroelectric thin films

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETT Nick
+33 1 69 08 32 72

Résumé/Summary

Les changements structurels dans les films minces peuvent modifier leur état ferroélectrique et donc la performance de ces matériaux dans des dispositifs nanoélectroniques, capteurs chimiques ou encore comme cellules photovoltaïques. L'objectif du stage est de caracériser les déformations de surface dans la structure atomique de films épitaxiés ferroélecrique par XPD (Photodiffraction de rayons X).
Structural changes in thin films can modify the ferroelectric (FE) state and thus the performance of these materials in nanoelectronic devices, chemical sensors or photovoltaic cells. X-ray Photoelectron Diffraction measure the surface distortions in the atomic structure of epitaxial FE films

Sujet détaillé/Full description

Une des propriétés fondamentales d’un matériau ferroélectrique (FE) est sa polarisation spontanée en-dessous de la température de Curie, qui peut être inversée sous l’application d’un champ électrique externe. Les changements structuraux de surface intervenant dans les couches minces peuvent modifier l’état FE [1] et en conséquence la performance de ces matériaux dans les dispositifs nanoélectroniques, les capteurs chimiques ou les cellules photovoltaïques. En particulier, la polarisation peut être basculée par un recuit sous pression partielle d’oxygène [2] et la contrainte en épitaxie peut générer des phases FE complètement nouvelles [3] .

La diffraction des photoélectrons stimulés par les rayons X (XPD) combine la sensibilité chimique de la photoémission des niveaux de cœur avec celle de l’ordre local autour de l’atome émetteur de photoélectrons. L’intensité de la photoémission est mesurée en fonction de l’angle d’émission au-dessus de l’échantillon [4], donnant des informations sur les distances interatomiques, les angles des liaisons et les états chimiques. Il est alors idéalement adapté aux mesures des distorsions atomiques d’extrême surface des couches minces FE en épitaxie [5]. IRAMIS vient d’acquérir un nouveau dispositif d’XPD à haute résolution angulaire et un système d’acquisition automatisé.

Les couches minces seront préparées par l’Institut National de Physique des Matériaux (Magurele, Roumanie). Les analyses XPD seront faites en fonction des conditions redox des recuits in-situ. L’analyse des données sera effectuée avec les procédures utilisant le logiciel Igo Pro.

[1] A. Pancotti et al., Phys. Rev. B 87, 184116 (2013).
[2] M. Highland et al., Phys. Rev. Lett. 107, 187602 (2011).
[3] R.J. Zeches et al., Science 326, 977 (2009).
[4] J. Osterwalder et al., Phys. Rev. B 44, 13764 (1991).
[5] L. Despont et al., Phys. Rev. B 73, 094110 (2006).
A fundamental property of ferroelectric (FE) materials is their electrically switchable spontaneous polarization below the Curie temperature, which has driven promising applications of such materials as nonvolatile memory storage devices and sensors. Structural changes in thin films can modify the ferroelectric state [1] and thus the performance of these materials in nanoelectronic devices, chemical sensors or photovoltaic cells. The polarization state may be chemically switched by annealing under oxygen [2] and epitaxial strain can engineer completely new FE phases [3].

X-ray Photoelectron Diffraction (XPD) combines the chemical sensitivity of core level photoemission with local order sensitivity around the emitting atom. The photoemission intensity is measured as a function of angle above the sample [4], giving information on interatomic distances, bond angles and chemical states. It is therefore ideally suited to measure the surface distortions in the atomic structure of epitaxial FE films [5]. IRAMIS has recently installed a new, high angular resolution XPD experiment with fully automatic data acquisition system.

Perovskite oxide ferroelectric films have been grown by the National Institute of Materials Physics (Magurele, Romania). XPD data will be acquired for films annealed in both redox conditions. Optimized data analysis will be done using Igor Pro software. The subject requires a good grounding in solid state physics and a desire for experimental teamwork.

(a) Schematic XPD experiment (b) Tetragonal BaTiO3 with Ti (grey) off-centering (c) Ti 2p XPD data from single crystal BaTiO3(001) allowing measurement of the Ti displacement in the surface unit cell.

[1] A. Pancotti et al., Phys. Rev. B 87, 184116 (2013).
[2] M. Highland et al., Phys. Rev. Lett. 107, 187602 (2011).
[3] R.J. Zeches et al., Science 326, 977 (2009).
[4] J. Osterwalder et al., Phys. Rev. B 44, 13764 (1991).
[5] L. Despont et al., Phys. Rev. B 73, 094110 (2006).

Mots clés/Keywords

Diffraction des photoélectrons, ferroélectrique, couches minces, contrainte
Photoelectron diffraction, ferroelectric, thin films, strain

Compétences/Skills

Diffraction des photoélectrons, diffraction des électrons à basse énergie, spectroscopie des photoélectrons
X-ray photoelectron diffraction and spectroscopy. Low energy electron diffraction

Logiciels

Igor Pro

Imagerie et contrôle des parois de domaines polaires dans les matériaux ferroélastiques pour les densités de stockage élevées
Imaging and control of polar domain walls in ferroelastic materials for high density storage media

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETT Nick
+33 1 69 08 32 72

Résumé/Summary

Les matériaux ferroélastiques peuvent contenir une très forte densité de parois de domaines polaires, ce qui pourrait permettre de les utiliser comme unité de mémoire nanométrique et robuste. L'objectif du stage est d'étudier la composition chimique locale au voisinage des parois de domaine et l'écrantage de la polarisation par injection d'électrons ou la présence de défauts, tels que des lacunes d'oxygène.
Ferroelastic materials can contain a very high density of polar domain walls and could serve as robust, nanoscale memory cells. The aim of the internship is to study the local chemistry in the vicinity of the domain wall and the polarity screening by electron injection and defects such as oxygen vacancies.

Sujet détaillé/Full description

Contexte
La miniaturisation des dispositifs de mémoire pour les densités de stockage très élevées à basse consommation d’énergie est un défi majeur pour une électronique post-CMOS afin d’implémenter de nouvelles fonctionnalités. L’ingénierie des parois de domaines (DWs ou « domain walls ») dans les matériaux ferroïques est une voie où la DW plutôt que le volume du matériau devient l’élément actif. Les verrous sont alors de pouvoir prédire et contrôler cette fonctionnalité nanométrique de la DW [1]. Les DWs sont des régions de transition dans lesquels les changements dans les paramètres d’ordre en allant d’un domaine à l’autre donnent lieu à des effets importants de gradients. Les matériaux ferroélastiques peuvent accommoder une très haute densité de parois [2] avec des moments dipolaires dans la paroi parallèles ou antiparallèles [3] au chevron. Ils peuvent servir de dispositifs fonctionnels robustes comme des mémoires.
Le CaTiO3 est le matériau ferroélastique non-polaire prototypique avec des parois polaires.
Objectifs
Le contrôle de la polarité des parois les rendrait adaptées pour le stockage de l’information à haute densité. L’objectif du stage est d’étudier la chimie locale au voisinage de la DW et l’écrantage de la polarité de la DW par les porteurs de charge libres (injection d’électrons) et par des défauts tels que les lacunes d’oxygène.
Le stage se déroulera au SPEC (UMR CEA/CNRS) de l’institut IRAMIS au CEA-Saclay en collaboration avec Raphael Haumont (ICMMO, Université Paris Saclay). L’élaboration contrôlée de cristaux avec des configurations de domaines ferroïques et piézoéletriques différentes en fonction du champ électrique appliqué pendant la croissance fournira une gamme de densités de paroiss, d’orientations et de polarités. L’étudiant utilisera la microscopie d’électrons à basse énergie (LEEM) et la microscopie à émission des photoélectrons (PEEM) pour caractériser les DWs [4]. Le sujet nécessite une bonne base en physique de l’état condensé et une aptitude pour le travail expérimental en équipe.

Context
Downscaling of memory devices for ultra-high storage densities and low power consumption is a major challenge for post-CMOS electronics in order to implement new functionalities. Domain wall (DW) 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]. DWs are transition regions where the changes of the order parameter from one domain to another result in strong gradient effects. Ferroelastic materials can contain a very high density of polar DWs [2] with dipole moments in the wall aligned parallel or antiparallel [3] to the apex and therefore serve as robust, nanoscale functional devices such as memory cells. CaTiO3 is the prototypical non-polar ferroelastic showing DW polarity.

Objectives
Control of the wall polarity would make them suitable for high density information storage. The aim of the internship is to study the local chemistry in the vicinity of the DW and the screening of DW polarity by free charge carriers (injected electrons) and defects such as oxygen vacancies.
The internship work will be carried out at SPEC (UMR CEA/CNRS) of the IRAMIS institute in the CEA-Saclay in collaboration with Raphael Haumont (ICMMO, Université Paris Saclay). The controlled elaboration of crystals, exhibiting different ferro/piezo-domains configurations, as a function of applied electric field during growth will provide a range of DW densities, orientations and polarity. The student will use low energy electron microscopy (LEEM) and photoelectron emission microscopy (PEEM) to characterize the DW arrays [4]. The subject requires a good grounding in solid state physics and a desire for experimental teamwork.

Figure (left) Orientation and hence DW density in single crystal CaTiO3 controlled by in-situ electric field during growth. (centre) Octahedral tilts in CaTiO3 on either side of a ferroelastic DW. (right) low energy electron image of DWs, R and V indicate ridges and valleys. Dark (light) contrast indicates positive (negative) polarity.

[1] G. Catalan, J. Seidel, R. Ramesh, Rev. Mod. Phys. 84, 119 (2012)
[2] H. Poettker and E.K.H. Salje, J. Phys.: Conden. Matt. 26, 342201 (2014)
[3] T. Zykova-Timan & E.K.H. Salje, Appl. Phys. Lett. 104, 082907 (2014)
[4] N. Barrett et al. J. Appl. Phys. 113, 187203 (2013)

Mots clés/Keywords

Parois de domaines, Polarité, PEEM, LEEM, ferroélastique
Domain wall, Polarity, PEEM, LEEM, ferroelastic

Compétences/Skills

Microscopie à émission des photoélectrons (PEEM) Microscopie à électrons à basse énergie (LEEM)
Photoelectron emission microscopy (PEEM) Low energy electron microscopy (LEEM)

Logiciels

ImageJ; Igor Pro

Etude de microstructures multiferroïques encapsulées de type ferrite - pérovskite
Study of embedded ferrite – perovskite type multiferroic microstructures

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

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 de réaliser et de caractériser des inclusions de ferrite (CoFe2O4) ferrimagnétique dans une matrice de perovskite (BaTiO3) ferroélectrique. Nous nous appuierons sur l'expertise acquise ces dernières années au laboratoire dans la réalisation par épitaxie par jets moléculaires de couches minces de ces mêmes composés. L’étude sera complétée par des méthodes de pointe accessibles en rayonnement synchrotron.
The objective of the internship is to realize and characterize ferrimagnetic ferrite inclusions (CoFe2O4) in a ferroelectric perovskite matrix (BaTiO3). The realization of the samples will benefit from the expertise gained in recent years, in the laboratory, in growing thin films of such compounds by molecular beam epitaxy. The study will be completed by advanced methods using synchrotron radiation.

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 pertinente. 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. La ferrite de cobalt a de nombreux atouts comme une température de Curie élevée et une forte constante de magnétostriction. L’inclusion de microstructures de CoFe2O4 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. Les dépôts seront réalisés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique. Dans le cadre du stage proposé on s’attachera à déterminer les conditions de réalisation d’inclusions encapsulées. Ces échantillons seront étudiés ensuite sur les lignes de lumière DIFFABS et HERMES du synchrotron SOLEIL pour déterminer respectivement 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 et à un cofinancement entre le laboratoire CEA/SPEC et une des lignes de lumière synchrotron SOLEIL (lignes DIFFABS et HERMES).
The magneto-electric coupling between ferroelectric and ferro, ferri or antiferro-magnetic oxides is of current 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 of 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. The cobalt ferrite has many advantages like high Curie temperature and high magnetostriction constant. The inclusion of CoFe2O4 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 laboratory. The deposits will be realized by molecular beam epitaxy assisted by atomic oxygen plasma. Within the internship the conditions of realization of encapsulated inclusions will be determined. These samples will then be studied on beamlines DIFFABS and HERMES at synchrotron SOLEIL to determine respectively the crystalline properties and the chemical mapping as well as the magnetic and ferroelectric orders.

The layers developed during this internship belong to 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 and co-financing between the laboratory CEA / SPEC and synchrotron SOLEIL beamlines (DIFFABS and HERMES lines).

Mots clés/Keywords

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

Compétences/Skills

Le (la) candidate abordera les techniques d’ultra-vide associées à la croissance par épitaxie par jets moléculaires ainsi qu’une première approche d’études menés 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 diffraction des rayons X sur la ligne DIFFABS, la microscopie électronique de basse énergie (LEEM), la spectroscopie d’absorption des rayons X (XAS) et la spectro-microscopie X-PEEM au synchrotron SOLEIL sur la ligne 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. We will use Reflexion High Energy Electron Diffraction (RHEED), Auger Electron Spectroscopy (AES), Photoemission core level spectroscopy (XPS), Piezo Force Microscopy (PFM), X-ray diffraction on the DIFFABS beamline, Low Energy Electron microscopy (LEEM), X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-PEEM spectro-microscopy on the HERMES beamline of synchrotron SOLEIL.

Interféromètre électronique Mach-Zehnder en graphène
The electronic Mach-Zehnder interferometer in graphene

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Roulleau Preden
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary

Réalisation d'expériences d'optique quantique électronique dans le graphène
Electron quantum optics experiments in graphene

Sujet détaillé/Full description

L'information quantique repose sur la manipulation de qubits afin d'augmenter la rapidité du traitement de l'information. Dans la matière condensée, deux approches ont été explorées :

• les qubits statiques, couplés à des bus quantiques pour la manipulation et la transmission d’information
• les qubits "volants" qui sont des qubits se propageant dans des circuits quantiques tout en étant manipulés

La recherche dans le domaine des qubits "volants" a conduit à l’émergence récente de l’optique quantique électronique, où les électrons jouent le rôle de photons dans des expériences analogues aux expériences d’optique quantique. Cette nouvelle approche a permis le développement de l’interférométrie quantique électronique ainsi que des sources à électron unique. Pourtant, ces expériences n’ont été menées avec succès que dans les hétéro-structures semi-conductrices refroidies à très basse température. La réalisation d’expériences d’optique quantique dans le graphène serait la démonstration que l’information quantique dans le graphène est désormais envisageable.

L’un des briques élémentaires nécessaire à la réalisation d’expériences d’optique quantique électronique est la lame séparatrice électronique, qui est l’analogue électronique de la lame séparatrice pour les photons. Cependant, la lame séparatrice électronique habituellement utilisée dans les hétéro-structures semi-conductrices n’existe pas dans le graphène à cause de sa structure de bande sans gap. Nous proposons une percée dans cette direction, en utilisant une jonction pn comme lame séparatrice [1]. Cette jonction pn sera l’élément fondamental d’un nouveau type d’interféromètre de Mach Zehnder. Une étude des propriétés de cohérence quantique du graphène en découlera.

[1] Shot noise generated by graphene p-n junctions in the quantum Hall effect regime N. Kumada, F. D. Parmentier, H. Hibino, D. C. Glattli, and P. Roulleau , Nature Communications, 8, 8068 (2015)
Quantum computing is based on the manipulation of quantum bits (qubits) to enhance the efficiency of information processing. In solid-state systems, two approaches have been explored:
• static qubits, coupled to quantum buses used for manipulation and information transmission,
• flying qubits which are mobile qubits propagating in quantum circuits for further manipulation.

Flying qubits research led to the recent emergence of the field of electron quantum optics, where electrons play the role of photons in quantum optic like experiments. This has recently led to the development of electronic quantum interferometry as well as single electron sources. As of yet, such experiments have only been successfully implemented in semi-conductor heterostructures cooled at extremely low temperatures. Realizing electron quantum optics experiments in graphene, an inexpensive material showing a high degree of quantum coherence even at moderately low temperatures, would be a strong evidence that quantum computing in graphene is within reach.
One of the most elementary building blocks necessary to perform electron quantum optics experiments is the electron beam splitter, which is the electronic analog of a beam splitter for light. However, the usual scheme for electron beam splitters in semi-conductor heterostructures is not available in graphene because of its gapless band structure. I propose a breakthrough in this direction where pn junction plays the role of electron beam splitter [1]. Based on this, an electronic Mach Zehnder interferometer will be studied to understand the quantum coherence properties of graphene.


[1] Shot noise generated by graphene p-n junctions in the quantum Hall effect regime N. Kumada, F. D. Parmentier, H. Hibino, D. C. Glattli, and P. Roulleau , Nature Communications, 8, 8068 (2015)

Mots clés/Keywords

Physique quantique, graphène, optique quantique

Influence de la vitesse de séchage sur les rugosités de surface d'un film formé par évaporation de suspensions colloïdales
Effect of evaporation rate onto the surface roughness in film formed by drying colloidal suspensions

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Master 1

Unité d'accueil

Candidature avant le

05-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary

Il s'agit ici de comprendre, au travers d'expériences sur une suspension colloïdale modèle, comment la vitesse d’évaporation sélectionne l'organisation statistique des rugosité de surface sur les films obtenus après séchage . L'interprétation de ces expériences à l'aide de certains formalismes récents de physique statistique nous permettra alors de mieux comprendre les lois régissant l’interaction entre colloïdes et leur évolution au cours du séchage.
The goal is to understand, through experiments on model colloidal suspensions, how the evaporation rate selects the way roughness get organized at the surface of films formed by drying. The interpretation of these experiments with some recent formalisms from statistical physics will then provide a better understanding of the laws uncovering the interaction between colloids and their evolution during drying.

Sujet détaillé/Full description

Le séchage d’une couche de suspension colloïdale conduit à la formation d’un film solide plus ou moins poreux, plus ou moins transparent et plus ou moins sensible à la fracturation. Ce procédé est au cœur de nombreuses applications industrielles : procédé sol-gel de fabrication des verres, céramiques, nanocomposites ou hybrides organo-minéraux dans l’industrie chimique et médicale, peintures et vernis de protection dans les domaines verriers et aéronautiques, plâtres et bétons haute performance dans le génie civil... De fait, comprendre pour ensuite contrôler les mécanismes qui régissent la résistance, la porosité, la rigidité et les propriétés optiques du film obtenu représente un défi d’importance. Ces propriétés macroscopiques traduisent de manière fine la façon dont les particules colloïdales intéragissent et s’organisent au cours du séchage.

L’objectif de ce stage est d’étudier, sur une suspension colloïdale modèle (billes de silice nanométrique en suspension dans l’eau), l’influence de la vitesse d’évaporation sur ces mécanismes d’auto-organisation, au prisme des rugosités de surface et de leur organisation statistique. Des formalismes récemment développés en physique statistique (modèles dits de croissance d’interfaces rugueuses) permettent en effet de relier certaines propriétés morphologiques particulières, comme la dimension fractale, l’exposant de Hurst, le spectre de Fourier… à l’agitation thermique et aux lois régissant l’interaction entre les colloïdes. Certaines corrugations observées sur la surface à haute vitesse de séchage pourraient traduire une instabilité de flambage sous-jacente, et par suite nous informer sur le niveau de contrainte induit pendant le séchage.

Ce sujet de stage, fortement pluridisciplinaire, se situe à l’interface entre matière molle, physique statistique et mécanique des matériaux. Le candidat retenu aura l’opportunité de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines et bénéficiera pour cela d’un encadrement fortement pluridisciplinaire incluant des chercheurs aux expertises couvrant ces trois domaines.

Mots clés/Keywords

Physique Statistique, fluides complexes, suspensions colloidales
Statistical physics, complex fluids, colloids

Compétences/Skills

Expérience modèle Imagerie Profilomètrie Analyse statistique
Model experiments Imaging Profilometry Statistical analysis

Towards quantum computing with nuclear spins
Vers le calcul quantique à base de spins nucléaires

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

27-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BERTET Patrice
+33 1 69 08 55 29

Résumé/Summary

Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à utiliser des spins nucléaires dans les solides (qui peuvent avoir des temps de cohérence ultra-longs pouvant aller jusqu'à plusieurs heures) comme bits quantiques pour le calcul quantique. Les spins seront mesurés par couplage avec des circuits supraconducteurs.
The internship is part of a research project that aims at using nuclear spins in solids (which can have ultra-long coherence times, up to few hours) as quantum bits for quantum computing. The spin state will be measured by coupling them to superconducting circuits.

Sujet détaillé/Full description

Les spins nucléaires dans les solides sont des systèmes quantiques très bien protégés de leur environnement, et peuvent avoir des temps de cohérence exceptionnellement longs allant jusqu’à plusieurs heures. Il est donc tentant de les utiliser comme support d’information quantique dans un processeur quantique. En revanche il reste très difficile de lire l’état d’un seul spin nucléaire, et plus encore de coupler deux spins nucléaires distants l’un de l’autre, ce qui est nécessaire pour les opérations de logique quantique.
Notre goupe est engagé dans un projet de recherche de long terme (en collaboration avec un industriel et avec le support de l'ERC) qui vise à utiliser des circuits supraconducteurs pour mesurer et interfacer des qubits de spin nucléaire. Dans un premier temps, nous souhaitons démontrer qu’il est possible de mesurer et de manipuler l’état quantique d’un unique spin nucléaire, en utilisant son couplage hyperfin à un spin électronique lui-même couplé à un résonateur supraconducteur. Cette stratégie s’applique à une variété de systèmes physiques, mais nous travaillons en particulier sur les centres NV du diamant, les donneurs dans le silicium, et les ions Erbium dans des matrices d’orthosilicate. Pour cela, nous devons être capables de détecter un unique spin électronique, en un temps de mesure inférieur à une seconde.
Le stage s’appuie sur des résultats récents de notre équipe, qui ont démontré la détection d’un tout petit nombre de spins électroniques, avec une sensibilité 5 ordres de grandeur supérieure à l’état de l’art [1,2,3]. Notre détecteur a dès à présent démontré une sensibilité de 65 spin/\sqrt{Hz} en mesurant des donneurs dans le silicium ; il s’agit donc de gagner encore deux ordres de grandeur. Le but du stage sera d’obtenir ce gain en utilisant un autre système : les ions Erbium en matrice de YSO. Ces ions ont un moment magnétique 7 fois plus élevé que les donneurs dans le silicium, ce qui devrait automatiquement amener la sensibilité du détecteur sous 1 spin/\sqrt{Hz}, permettant d’apporter la première démonstration de détection micro-onde d’un unique spin.
Nuclear spins in solids are quantum systems that are well protected from their environment and can therefore have exceptionally long coherence times (up to several hours). It is thus tempting to use them as carrier of quantum information, in a quantum processor. It remains however utterly difficult to readout the quantum state of a single nuclear spin, and even more so to couple two nuclear spins that are distant from each other, which is needed for quantum logic operations.
Our group is leading a long-term research project (in collaboration with an industrial and with the support of an ERC grant) that aims at using superconducting circuits to measure and interface nuclear spin qubits. In a first step we wish to demonstrate quantum state manipulation and readout of a single nuclear spin, using its hyperfine coupling to an electron spin, itself coupled to a superconducting resonator. This strategy applies to a large variety of physical systems; we work in particular with NV centers in diamond, donors in silicon, and Erbium ions in orthosilicate crystals. In order to reach our goal, we need to be able to detect a single electronic spin, in a measurement time smaller than one second.
The internship relies on recent results obtained in our team, demonstrating the detection of a very small number of electronic spins with a sensitivity 5 orders of magnitude higher than the previous state-of-the-art [1,2,3]. Our spectrometer has demonstrated a sensitivity of 65 spins / \sqrt{Hz} by measuring donors in silicon; we thus simply need to win another two orders of magnitude. The goal of the internship will be to do so by turning to a different system : Erbium ions in a YSO matrix. Indeed, these ions have a magnetic moment that is 7 times higher than donors in silicon, which would automatically bring the spectrometer sensitivity below the 1spin/\sqrt{Hz} value, and would bring the first experimental demonstration of single spin detection with microwave signals.

Mots clés/Keywords

Physique et information quantique
Quantum physics and quantum information

Compétences/Skills

-Techniques de salle blanche (fabrication d'échantillons) - Mesures micro-ondes très bas bruit - Très basses températures (mK)
- Cleanroom techniques - Ultra-low-noise microwave measurements - Cryogenic températures (mK)

Logiciels

Office, Python, Labview, Matematica, CST, Sonnet, ...

Stabilsation d'un état de Fock dans un circuit Josephson polarisé en tension
Stabilization of a Fock state in a dc biased Josephson junction circuit

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

06-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PORTIER Fabien
+33 1 69 08 72 16/74 75

Résumé/Summary

Nous couplerons une jonction Josephson polarisée en tension à deux résonateurs micro-ondes: l'un fortement couplé et l'autre étant un mode 'poubelle' , faiblement couplé et de durée de vie courte. Si l'énergie d'une paire de Cooper transmise par la jonction correspond à la somme des énergies d'un photon dans des deux modes, ce dispositif stabilise l'état Fock à un photon dans le mode fortement couplé.
We will couple a dc voltage biased Josephson junction to two microwave resonators: a strongly coupled mode and a dump mode with low coupling and short lifetime. If the energy of a Cooper pair transmitted through the junction corresponds to the sum of the energies of a photon in either modes, this stabilizes a single photon Fock state in the stringly coupled mode.

Sujet détaillé/Full description

Ce projet appartient au domaine très actif des micro-ondes quantiques avec des circuits à base de jonctions Josephson. Nous souhaitons montrer que, en concevant de manière astucieuse l'environnement électromagnétique d'une jonction Josephson polarisée en tension continue, on peut stabiliser un état Fock d'un résonateur micro-ondes. Le dispositif impliqué dans ce projet est le suivant: une jonction Josephson est couplée à deux résonateurs de fréquence ν1, ν2 et polarisée à une tension V. Comme la jonction Josephson est un élément non dissipatif, un courant continu ne circule dans le circuit que si 2eV = n1 hν1 + n2 hν2, de sorte que l'énergie fournie par le générateur lors du transfert d'une paire Cooper est convertie en excitations électromagnétiques des résonateurs. Le but de ce stage est de démontrer que ce dispositif peut être utilisé pour stabiliser l'état Fock à un photon dans l'un des résonateurs: en augmentant le couplage du résonateur 1 à la jonction, on entre dans un régime où la transition de | 1> vers | 2> est supprimée. Pour 2eV = hν1, ce blocage ne stabilise pas l'état | 1> , car une paire de Cooper peut remonter la tension de polarisation, avec une transition de | 1> vers |0> . Pour supprimer cette possibilité, nous allons utiliser un deuxième mode comme poubelle, en lui donnant une durée de vie très courte. En réglant la tension à 2eV = hν1 + hν2: une paire de Cooper passe par effet tunnel à travers la jonction, émettant un photon dans chacun des deux résonateurs, le mode 2 se vide rapidement et, par conséquent, le passage en sens inverse d'une paire de Cooper est supprimé par conservation de l'énergie, stabilisant l'état Fock | 1> dans le premier mode. Le stagiaire sera impliqué dans toutes les étapes de l'expérience: la conception de l'échantillon, sa fabrication par nanolithographie, son refroidissement par un réfrigérateur à dilution et la caractérisation du rayonnement par des mesures hyperfréquences à très faible bruit. Toutes ces techniques sont bien maîtrisées par notre groupe.

1 M. Westig et al., Phys Rev Lett 119, 137001 (2017)
2 P. P. Hofer, J.-R. Souquet, et A. A. Clerk, Phys. Rév. B 93, 041418 (2016)
This project belongs to the fast growing field of quantum microwaves with Josephson junction circuits. We wish to show that by astutely designing the electromagnetic environment of a dc biased Josephson junction, one can stabilize a Fock state of a microwave resonator. The device involved in this project is the following: a Josephson junction is coupled to two resonators of frequency ν1,ν2 and biased at a voltage V. As the Josephson junction is a non-dissipative element, a DC current flows through the circuit only if 2eV=n1 hν1+ n2 hν2, so that the energy provided by the generator upon the transfer of a Cooper pair is converted into electromagnetic excitations of the resonators. The purpose of this internship is to demonstrate that this device can be used to stabilize the single photon Fock state in one of the resonators: by increasing the coupling of resonator 1 to the junction, one enters a regime where the transition from |1> to |2> is suppressed. At 2eV = hν1, this blockade doesn’t stabilize the |1> state, as a Cooper pair can tunnel backward, with a transition |1> to |0>. To suppress this possibility, we will use the second mode as a dump mode with a very short lifetime. By setting the voltage at 2eV=hν1+ hν2: a Cooper pair then tunnels through the junction, emitting a photon in both resonators, mode 2 empties quickly, and therefore the back tunneling of a Cooper pair is suppressed by energy conservation, stabilizing the single photon Fock state of resonator 1. The trainee will be involved in all the steps of the experiment: design and fabrication of the sample, using nanolithography, cooling of the sample by a dilution refrigerator, and characterization by ultra-low-noise microwave measurements. All these techniques are well mastered by our group.

1 M. Westig et al., Phys Rev Lett 119, 137001 (2017)
2 P. P. Hofer, J.-R. Souquet, and A. A. Clerk, Phys. Rev. B 93, 041418 (2016)

Compétences/Skills

Nanofabrication, cryogénie, électronique à bas bruit
Nanofabrication, cryogenics, ultralow noise electronics

Moteur thermique quantique à base d'une jonction Josephson polarisée en tension
Quantum thermal engine with a voltage biased Josephson junction

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

06-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PORTIER Fabien
+33 1 69 08 72 16/74 75

Résumé/Summary

Nous développerons un moteur thermique quantique basé sur une jonction Josephson polarisée par une tension DC couplée à deux résonateurs micro-ondes, un chaud et à haute fréquence et un de basse fréquence, plus froid. Des photons haute fréquence sont absorbés et des photons de basse fréquence émis, la différence d'énergie étant convertie en énergie électrostatique.
We will develop a quantum thermal engine based on a dc voltage biased Josephson junction coupled to two microwave resonators, a hot, high frequency one and a cold, low frequency one. High frequency photons are then absorbed and low frequency one emitted, the energy difference being converted into electrostatic energy.

Sujet détaillé/Full description

Ce projet appartient au domaine nouveau et actif qu'est la thermodynamique quantique. Nous souhaitons développer un moteur thermique simple dont le principe de fonctionnement est intrinsèquement quantique. Le dispositif impliqué dans ce projet est le suivant: une jonction Josephson est couplée à deux résonateurs de fréquence ν1, ν2 avec ν1> ν2 et sollicité à une tension V. Comme la jonction Josephson est un élément non dissipatif, un courant continu ne peut s'écouler à travers le circuit que si 2eV = n1 hν1 + n2 hν2, de sorte que l'énergie fournie par le générateur lors du transfert d'une paire Cooper est convertie en excitations électromagnétiques des résonateurs. Nous avons récemment détecté le rayonnement émis à 2eV = hν1 + hν2, le transfert d'une paire Cooper étant alors associé à l'émission d'un photon dans les deux résonateurs. Nous avons montré que le rayonnement alors émis est non classique [1]. Le but de ce stage est de démontrer que ce dispositif peut être utilisé comme moteur thermique: lorsque les deux modes sont maintenus à des températures différentes, avec T1> T2, choisies de sorte qu'il y ait plus de photons dans 1 que dans 2. Ensuite, si en polarisant la jonction à 2eV = hν1-hν2, on s'attend à un passage des paires Cooper remontant le circuit, associée à l'absorption des photons à la fréquence ν1 et à la ré-émission des photons à ν2, ce qui entraîne la conversion de la chaleur en énergie électrique. Contrairement à la plupart des machines classiques, l'efficacité de ce moteur devrait être élevée, même à puissance maximale [2]. L'échantillon étant déjà disponible, le stagiaire effectuera l'expérience, consistant à refroidir l'échantillon avec un réfrigérateur à dilution, assurant des populations différentes dans les deux modes et à mesurer le courant induit par des mesures à très faible bruit. Toutes ces techniques sont bien maîtrisées par notre groupe.

1 M. Westig et al., Phys Rev Lett 119, 137001 (2017)
2 P. P. Hofer, J.-R. Souquet, et A. A. Clerk, Phys. Rév. B 93, 041418 (2016)
This project belongs to the fast growing field of quantum thermodynamics. We wish to develop a simple thermal engine whose operating principle is intrinsically quantum. The device involved in this project is the following: a Josephson junction is coupled to two resonators of frequency ν1,ν2 with ν1>ν2 and biased at a voltage V. As the Josephson junction is a non-dissipative element, a DC current can flow through the circuit only if the energy 2eV =n1 hν1+ n2 hν2 provided by the generator upon the transfer of a Cooper pair is converted into electromagnetic excitations of the resonators. We have recently detected the radiation emitted at 2eV = hν1+ hν2, the transfer of a Cooper pair then being associated to the emission of a photon in both resonators. We have shown that the resulting radiation is non classical [1]. The purpose of this internship is to demonstrate that this device can be used as a thermal engine: When the two modes are at held at different temperatures, with T1>T2 , chosen so that there are more photons in 1 than in 2. Then if biasing the junction at 2eV = hν1- hν2, one expects a backflow of Cooper pairs, associated to the absorption of a photons at frequency ν1 and re-emission of photons at ν2., resulting in the conversion of heat into electrical work. Unlike most classical machines, the efficiency of this engine is predicted to be high, even at maximum power[2]. The sample being already available, the trainee will perform the experiment, cool the sample with a dilution refrigerator, ensure different populations of the two modes and measure the induced current by ultra low-noise measurements. All these techniques are well mastered by our group.

1 M. Westig et al., Phys Rev Lett 119, 137001 (2017)
2 P. P. Hofer, J.-R. Souquet, and A. A. Clerk, Phys. Rev. B 93, 041418 (2016)

Compétences/Skills

Nanofabrication, cryogénie, électronique à bas bruit
Nanofabrication, cryogenics, ultralow noise electronics

Réalisation d'amplificateurs limités quantiquement
Realization of quantum limited amplifiers

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

09-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

VION Denis
+33 1 69 08 74 44/55 29

Résumé/Summary

Le but du stage est de développer un nouveau type d'amplificateur paramétrique limité quantiquement, de se familiariser avec leur fabrication et leur test, et si la durée du stage est suffisante, de participer à une expérience d'information quantique utilisant un amplificateur paramétrique.
The goal of the internship is to design broadband quantum limited parametric amplifiers, to fabricate and measure existing designs, and if time allows to participate to a quantum information experiment using those parametric amplifiers.

Sujet détaillé/Full description

Le groupe Quantronique au CEA Saclay effectue des recherches en physique fondamentale des solides, et en particulier sur l’électronique quantique. La plupart de nos expériences nécessitent une instrumentation hyperfréquence avancée dont le composant clé est un amplificateur limité quantiquement.

Un amplificateur limité quantiquement est un dispositif ajoutant une quantité limitée de bruit au signal mesuré, c'est-à-dire une demi-photon à la fréquence du signal, définie par le principe d'incertitude. Il est largement développé dans de nombreux groupes leader dans le domaine du traitement de l'information quantique, car il permet par exemple de squeezer des états quantiques, de mesurer l’état de Qubit en « single-shot » ou de suivre des trajectoires quantiques. Il est également un outil essentiel en physique mésoscopique à haute fréquence et présente un fort potentiel d’application aux expériences d'astronomie.

Il existe actuellement diverses propositions pour implémenter ce dispositif. Dans le groupe, nous avons développé un amplificateur paramétrique Josephson (JoPA) [1] tirant parti de la non linéarité de l'inductance Josephson. Notre projet consiste maintenant à implémenter un JoPA ayant une plus grande largeur de bande et à utiliser des principes complètement nouveaux pour améliorer la bande passante et la puissance de saturation.

Au cours du stage, le candidat se familiarisera avec l'amplification limitée quantiquement en fabriquant des modèles existants et en les mesurant. Il / elle participera également au développement de nouveaux modèles ayant de meilleures performances. En fonction de la durée du stage, l’étudiant(e) pourrait participer à des expériences utilisant ses amplificateurs. L’étudiant sera encadré par 2 chercheurs permanents et un post-doc travaillant sur ce sujet.

Le candidat devrait avoir des bases solides en physique quantique et en matière condensée et devrait pouvoir mener dès le début la modélisation d'un circuit quantique, en utilisant des logiciels tels que mathematica et spice. Un certain degré d'indépendance et de compétences expérimentales sont un atout.
The Quantronics group at CEA Saclay is performing research in fundamental solid state physics at very low temperature, and in particular in quantum electronics. Most of our experiments require advanced microwave instrumentation whose key component is a quantum limited amplifier.

A quantum limited amplifier is a device that adds a limited amount of noise to the measured signal, i.e. half a photon at the frequency of the signal, defined by the uncertainty principle. It is widely developed in many leading groups in the domain of quantum information processing, as it enables for instance quantum states squeezing, single-shot measurement of Qubit states or following quantum trajectories. It is also an essential tool in fundamental solid state physics at high frequency, and has a high potential for applications to astronomy experiments.

There exists nowadays various propositions to implement such device. In the group, we have developed a Josephson parametric amplifier [1] taking advantage of the Josephson inductance non-linearity. Our project now is to implement a larger bandwidth version of JoPA, and by turning to completely new working principles to improve both bandwidth and saturation power.

During the internship, the candidate will get familiar with quantum limited amplification by fabricating existing designs, and measuring them. He/she will also participate to the development of new types of designs to enhance their performances. Depending on the internship duration, the student could participate to experiments using his/her paramps. The student will be supervised by 2 permanent researchers and a post-doc working on the subject.

The candidate should have solid grounds in quantum and solid state physics and should be able from the start to lead the modelization of a quantum circuit, using softwares such as mathematica and spice. A certain degree of independence and of experimental skills are a plus.


[1] X. Zhou, V. Schmitt, P. Bertet, D. Vion, W. Wustmann, V. Shumeiko, and D. Esteve Phys. Rev. B 89, 214517 (2014).

contact: Helene le Sueur and Denis Vion

Mots clés/Keywords

Electronique quantique
Quantum electronics

Compétences/Skills

Simulation numérique, nanofabrication, cryogénie, mesures micro-ondes
Numerical simulation, nanofabrication, cryogenics, microwave measurements

Logiciels

Python, spice, mathematica

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

19-04-2018

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

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

09-04-2018

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

Physique (statistique) de la rupture quasi-fragile: comment prévoir l’endommagement des solides hétérogènes?
(Statistical) physics of quasi-brittle fracture: How to predict damaging in heterogeneous solids?

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

13-04-2018

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary

Prévoir quand et comment les matériaux hétérogènes (roches, bois ou bétons par exemple) cassent est un enjeu central dans de nombreux domaines. Cela reste difficile -- ces matériaux commencent par se micro-endommager de manière imperceptible avant de casser brutalement. Il s'agit ici de combiner expériences et simulations originales pour élucider les mécanismes sous-jacents à la formation des microfissures, puis leur organisation jusqu’à la ruine finale.
Anticipating when and how heterogeneous materials (rocks, wood or concrete for example) fail is central issue to many fields. This remains difficult - these materials start by damaging in a imperceptible manner, before breaking brutally. The aim here is to combine original experiments and simulations to elucidate the mechanisms underlying the formation of microcracks and their subsequent organization til the final ruin of the structure.

Sujet détaillé/Full description

Prévoir où, quand et comment un matériau va se rompre constitue un enjeu majeur dans de nombreux domaines industriels et géophysique. Et cela n'est malheureusement pas une mince affaire : les roches, le bois, les bétons, les céramiques et plus généralement les matériaux dit quasi-fragiles commencent par se micro-endommager de manière quasi-imperceptible avant de casser brutalement. Les tremblements de terre, les éboulements de terrain et les effondrements de bâtiment rappellent de manière tragique notre dénuement actuel en termes d'outils prédictifs dans ce domaine

Le sujet de thèse proposé ici s'inscrit dans ce contexte. La complexité provient des nombreuses échelles de longueurs et de temps impliquées dans le problème. Leur couplage ne peut pas être correctement pris en compte dans les approches milieux continus traditionnelles. En revanche, ces vingt dernières années ont vu l’émergence de formalismes théoriques nouveaux, issus de la physique statistique et non-linéaire, qui semblent prometteurs. Mais à l'heure actuelle, ces développements restent théoriques et numériques, confinés à des situations très simples, bien loin des cas réels.

Nous proposons ici de mettre en place des expériences bien contrôlées sur des matériaux modèles transparents et de microstructure modulable, de manière à pouvoir suivre en temps réel les microfissures qui se développent au cours de leur mise en contrainte, et de caractériser les mécanismes qui régissent leur organisation dans l’espace et le temps, jusqu’à la rupture globale. Ces expériences permettront de combler le gap entre ces approches théoriques et les matériaux réels d’intérêt technologique ou géophysique.

Ce sujet de thèse met en jeux des notions appartenant à la fois à la physique statistique, la mécanique des milieux continus et la géoscience -- le candidat retenu aura l’opportunité de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines. Le sujet s'inscrit aussi dans un projet en cours de montage impliquant différents laboratoires issus de ces trois domaines : laboratoire de Mécanique et Génie Civile (LMGC) à Montpellier, Institut des Sciences de la Terre (ISTerre) à Grenoble et laboratoire de Physique et Mécanique des Milieux Hétérogènes (PMMH) à Paris. Cet environnement pluridisciplinaire aidera le candidat à trouver à l’issue de la thèse de nombreux débouchés dans le monde académique ou dans l’industrie.

Mots clés/Keywords

Fracture,

Compétences/Skills

Mécanique expérimentale, imagerie, analyse statistique, description stochastiques
Experimental mechanics, optical imaging, statistical analysis, stochastic description

Utilisation du compressed sensing en IRM a très bas champ
Use of compressed sensing for Very low field MRI

Spécialité

Instrumentation

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

13-04-2018

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

FERMON Claude
+33 1 69 08 94 01

Résumé/Summary

Une image de 2mm iso du cerveau demande à tres bas champ, 1 heure environ ce qui est trop long. Les méthodes de compressed sensing qui optimisent l'acquisition pourraient permettre de gagner un facteur 10 en temps d'acquisition. Le but du stage est d'implémenter ces techniques en IRM à très bas champ.
An image at very low field with 2mm iso resolution requires 1 hour. Compressed sensing methods which optimize k-space covering are able to speed up bt 10 the acquisition. The goal of the internship is to implement it.

Sujet détaillé/Full description

Un système d'IRM à très bas champ, tête entière a été construit dans notre laboratoire et est capable de produire des images 3D de qualité correcte.
Aujourd'hui une image de 2mm iso du cerveau demande à tres bas champ, 1 heure environ ce qui est trop long pour un examen clinique standard. Pour cette raison, nous explorons différentes approches pour réduire le temps d'acquisition. Une approche particulièrement intéressante sont les méthodes de compressed sensing qui optimisent l'acquisition dans l'espace réciproque, actuellement développées à Neurospin et qui pourraient permettre de gagner un facteur 10 en temps d'acquisition. Le but du stage est d'implémenter ces techniques en IRM à très bas champ et de tester quel gain effectif en qualité d'image on peut obtenir. Ce stage s'adresse à des étudiant de cursus soit physique soit imagerie médicale.

Mots clés/Keywords

Imagerie médicale, traitement du signal

Compétences/Skills

RMN du solide, IRM

Logiciels

Matlab, C++ ou Pascal.

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

27-04-2018

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Solignac Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary

Mise au point des dispositifs GMR basés sur l'empilement tout-oxyde LSMO/LBCO/LSMO.
Étude du dépôt de cuprate La4BaCu5O13 (LBCO) sur manganite (La,Sr)MnO3 (LSMO). Impact des paramètres de dépôt sur la structure cristalline et la morphologie du film mince, analysées par diffraction des rayons X et microscopie à force atomique (AFM).
Development of GMR devices based on the all-oxide stack. : LSMO / LBCO / LSMO
Study of the growth of the La4BaCu5O13 (LBCO) cuprate on manganite (La, Sr) MnO3 (LSMO). Impact of the growth parameters on the crystal structure and the morphology of the thin film, studied by X-ray diffraction and atomic force microscopy (AFM).

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.

 

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