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Univ. Paris-Saclay

Les sujets de thèses

4 sujets IRAMIS

Dernière mise à jour : 22-01-2021


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• Physique des plasmas et interactions laser-matière

 

Atomes à deux électrons actifs de grand moment cinétique : influence d’un champ électrique statique

SL-DRF-21-0392

Domaine de recherche : Physique des plasmas et interactions laser-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Physique à Haute Intensité (PHI)

Saclay

Contact :

Michel POIRIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Michel POIRIER
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

+33 (0)1 69 08 46 29

Directeur de thèse :


-


Page perso : http://iramis.cea.fr/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=poirier

Labo : http://iramis.cea.fr/lidyl/MHDE/

L’objet de cette thèse est d’étudier l’influence d’un champ électrique statique sur les états doublement excités dont l’un des électrons est de très grand moment cinétique. Ce travail est motivé par l’existence d’une activité expérimentale de construction d’une nouvelle plateforme de simulation quantique. Cette plateforme met en œuvre des atomes de strontium présentant un électron dans un état de Rydberg de très grand nombre quantique principal et orbital et utilise le second électron de valence pour des manipulations optiques de cet atome de Rydberg.



Le travail consistera à développer un modèle théorique et numérique capable de prévoir la position et la largeur de ces niveaux doublement excités en présence de champ électrique statique. Les coordonnées paraboliques paraissent être adaptées à la description de l’électron de Rydberg tandis que l’électron « de cœur », lié au noyau par un potentiel de type alcalin, sera décrit par des fonctions d’onde calculées par intégration radiale de l’équation de Schrödinger.



Ces travaux s’appliqueront à une série de mesures sur les alcalino-terreux pour lesquels l’interprétation théorique fait actuellement défaut. Cette thèse théorique, de nature analytique et numérique, implique une très bonne connaissance de la physique quantique, notamment de la structure atomique et de l’interaction atome-champ.
Conception d'un injecteur de haute précision pour les accélérateurs laser-plasma du futur

SL-DRF-21-0462

Domaine de recherche : Physique des plasmas et interactions laser-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Physique à Haute Intensité (PHI)

Saclay

Contact :

Fabien QUÉRÉ

Henri VINCENTI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Fabien QUÉRÉ
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

01.69.08.10.89

Directeur de thèse :

Henri VINCENTI
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

0169080376

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/henri.vincenti/

Labo : http://iramis.cea.fr/LIDYL/PHI/

Un des principaux défis que la communauté des accélérateurs doit actuellement affronter est de réduire la taille des accélérateurs de particules pour réaliser la prochaine génération de collisionneur électron-positon d'énergie TeV. Un candidat prometteur à cet égard est le laser Wakefield Accelerators (LWFA) produit par la focalisation d'un laser de très haute puissance sur un jet de gaz. Ces accélérateurs peuvent fournir des gradients d'accélération élevés de 100 GV/m et ont déjà montré la possibilité d'accélérer des électrons à des énergies de 10 GeV sur une distance de l'ordre du cm.



Cependant, d'importantes limitations doivent levées avant d'autoriser l'utilisation des LWFA comme dispositifs médicaux, ou pour construire des collisionneurs compacts électron/positron à haute énergie et des sources lumineuses de type X-FEL (X-ray Free Electron Lasers). Un obstacle majeur de ces accélérateurs est notamment leur faible charge à haute énergie (10 pC / paquet de charges, au-dessus de 4 GeV), très en dessous de la charge qu'ils pourraient supporter (jusqu'à 50 nC) ou de celles obtenues avec les accélérateurs RF conventionnels (> nC / paquet). Dans ces conditions, la construction d'un collisionneur basé sur la technologie LWFA exigeant un nombre élevé de collisions et donc une charge beaucoup plus élevée nécessiterait une mise à niveau des taux de répétition des lasers multi-TeraWatt ou PetaWatt de 1 Hz à des dizaines de kHz, pour atteindre des courants moyens beaucoup plus élevés. Ceci est encore au-delà de la technologie laser actuelle. Des solutions pour augmenter la charge à haute énergie avec les techniques d'injection actuelles ont été proposées (par exemple, en utilisant un étage de pré-injection à haute densité de gaz couplé à un second étage d'accélération à faible densité avec transport de faisceau intermédiaire). Cependant, l'augmentation de la charge à 1-10nC à haute énergie (GeV) avec ces techniques est loin d'être acquise et pourrait dégrader des caractéristiques cruciales du faisceau : émittance, répartition de l'énergie... Ce qui seraient de nouvelles limitations sévères pour les applications nécessitant une qualité de faisceau élevée, tel que X-FEL.



Dans ce contexte, la thèse proposée vise à concevoir des schémas alternatifs et nouveaux en utilisant nos codes numériques cinétiques PICSAR et WARPX, qui devraient permettre d'obtenir des accélérateurs compacts avec des niveaux d'énergie allant jusqu'à 1-10 nC / paquet jusqu'à plusieurs GeV tout en préservant une qualité de faisceau élevée. Une solution très prometteuse consisterait à utiliser des miroirs à plasma comme injecteurs d'électrons. Les miroirs à plasma sont des plasmas surdenses formés lorsqu'un laser de forte puissance est focalisé sur une cible solide. En tant que tels, ils peuvent fournir un très grand réservoir d'électrons qui pourraient être accélérés de manière cohérente par le laser incident et injectés dans un LWFA. Des simulations préliminaires montrent que le fait de placer un miroir de plasma juste avant un jet de gaz pourrait permettre une injection spatio-temporelle très localisée de paquets d'électrons sub-femtosecondes dans un LWFA. Cette injection très localisée est la condition préalable à l'obtention de faisceaux d'électrons de très haute qualité dans un plasma à ondes courtes et semble surpasser d'un ordre de grandeur (en termes de charge et de qualité du faisceau) tous les schémas proposés jusqu'à présent dans la littérature.



En s'appuyant sur les outils numériques développés par le groupe de physique à haute intensité au cours des cinq dernières années, l'objectif de la thèse sera de concevoir numériquement un injecteur d'électrons de haute qualité pour la LWFA en utilisant des miroirs de plasma. Elle comprendra plusieurs étapes importantes :



(i) Une première phase où les simulations préliminaires seront affinées et une preuve de concept détaillée de l'injection sera établie (un brevet sera rédigé).



(ii) Une deuxième phase au cours de laquelle un modèle d'injection d'électrons du miroir de plasma dans le LWFA sera développé pour définir les régimes optimaux en termes de paramètres laser-plasma. L'étape d'optimisation impliquera le développement de modèles de substitution utilisant des réseaux neuronaux profonds.



(iii) Une phase finale impliquant le couplage avec des expériences où l'ensemble du dispositif expérimental sera simulé numériquement. Cela impliquera le couplage de simulations hydrodynamiques 2D/3D (pour modéliser efficacement le profil de densité du gaz à l'interface gaz-miroir de plasma) avec des simulations cinétiques (pour modéliser l'injection dans le LWFA).



Réussir cette tâche permettrait d'alléger de plusieurs ordres de grandeur les contraintes en termes de taux de répétition laser requis pour la construction d'un collisionneur compact. En outre, la réalisation d'un accélérateur ultra-compact à forte charge et à faisceau de haute qualité pourrait être utilisée pour produire des sources de rayons X à électrons ultra-courts, X-FEL ou Bremsstrahlung/Compton de table qui sont indispensables à de nombreuses applications telles que le traitement du cancer, la chimie femtoseconde, la radiobiologie, la radiothérapie ou la radiographie industrielle.
Développement et benchmarking de nouvelles méthodes AMR-PIC 3D pour la simulation réaliste de l’interaction laser-matière et laser-vide quantique à intensité extrême

SL-DRF-21-0460

Domaine de recherche : Physique des plasmas et interactions laser-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Physique à Haute Intensité (PHI)

Saclay

Contact :

Henri VINCENTI

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Henri VINCENTI
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

0169080376

Directeur de thèse :

Henri VINCENTI
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

0169080376

Page perso : http://iramis.cea.fr/Pisp/henri.vincenti/

Labo : http://iramis.cea.fr/LIDYL/PHI/

Le défi majeur de la physique des champs forts ou physique des Ultra-Haute Intensité (UHI) est aujourd’hui de produire une source de lumière capable d’explorer de nouveaux régimes d’électrodynamique quantique en champs forts (SF-QED) encore inexplorés des grands accélérateurs. L'exemple le plus célèbre survient à des intensités proches de 10^29 W/cm^2 (la fameuse limite de Schwinger), autour de laquelle le vide devient instable et des paires e-/e+ peuvent être créées à même le vide. En réalité, dès 10^25 W/cm^2 la dynamique de l'interaction entre la lumière et la matière devient déjà totalement dominée par des processus SF-QED. De tels régimes ne se produisent que dans les phénomènes astrophysiques les plus violents et pourraient révéler une nouvelle physique, au-delà du modèle standard (comme la présence d'Axions ou de fermions millichargés). Pouvoir les reproduire et les contrôler en laboratoire revêt donc un intérêt fondamental immense.



Toutefois, à l’heure actuelle, les sources lumineuses les plus puissantes sur terre (lasers de puissance PetaWatt -PW) ne permettent de délivrer que des intensités proches de 10^22 W.cm^-2. Atteindre la limite de Schwinger demande donc un changement de paradigme que nous venons de proposer dans le groupe Physique à Haute Intensité (PHI) du CEA. Notre solution consiste à utiliser un composant optique remarquable, auto-généré par le laser de puissance focalisé sur une cible solide, appelé ’miroir plasma relativiste courbé optiquement’. Au cours de la réflexion sur un tel miroir courbé, le champ réfléchi subit une forte intensification par compression temporelle Doppler et par focalisation sur des tailles de tâche plus petites que celles possible avec le champ incident. Le groupe PHI a récemment proposé d’utiliser la déformation du miroir plasma sous l’effet de la pression de radiation du faisceau laser incident pour focaliser fortement le champ réfléchi. Des simulations 3D préliminaires ont montré que ce schéma permettrait d’atteindre des intensités proches de 10^25 W/cm^2, à partir desquels des effets de SF-QED encore inexplorés se manifestent lors de l’interaction du faisceau réfléchi avec de la matière. Ceci constitue un premier jalon vers la limite de Schwinger.



A présent, le challenge principal à relever pour pouvoir atteindre la limite de Schwinger est de développer de nouveaux schémas réalistes pour courber beaucoup plus fortement la surface du miroir plasma. Dans ce contexte, le candidat devra développer et valider numériquement ces nouveaux schémas à l’aide de codes cinétiques de type Particle-In-Cell (PIC) 3D. Les simulations envisagées étant extrêmement coûteuses en temps de calcul du fait des grandes gammes d’échelles spatio-temporelles simulées, il devra dans un premier temps développer et benchmarker une technique de raffinement de maillage adaptatif proposée par le groupe du Dr. J-L Vay au Lawrence Berkeley National Lab (LBNL), dans lequel se déroulera la première phase de cette thèse. Au cours de la deuxième phase (au CEA), le candidat exploitera ce code pour répondre aux questions suivantes: quels sont les paramètres laser-plasma permettant d’atteindre la limite de Schwinger pour chaque schéma de focalisation envisagé’ A partir de quelle intensité produit-on des paires Schwinger avec le champ réfléchi’ Quelles sont les caractéristiques de ces paires’ Peut-on les détecter de manière claire dans les expériences’ De manière plus générale, comment obtenir des signatures claires des intensités atteintes au foyer du miroir plasma ’ Le candidat devra également participer à l’interprétation des premières expériences de QED réalisées à l’aide de tels miroirs plasmas au cours de la thèse.
Méthodes statistiques pour l'étude des spectres complexes dans les plasmas chauds: applications en sciences de la fusion et en astrophysique

SL-DRF-21-0436

Domaine de recherche : Physique des plasmas et interactions laser-matière
Laboratoire d'accueil :

Service Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL)

Physique à Haute Intensité (PHI)

Saclay

Contact :

Michel POIRIER

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2021

Contact :

Michel POIRIER
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

+33 (0)1 69 08 46 29

Directeur de thèse :

Michel POIRIER
CEA - DRF/IRAMIS/LIDyL/PHI

+33 (0)1 69 08 46 29

Page perso : http://iramis.cea.fr/LIDYL/Phocea/Membres/Annuaire/index.php?uid=poirier

Labo : http://iramis.cea.fr/LIDYL/MHDE

Un vaste ensemble d'objets d'étude en physique comme la structure interne des étoiles, l'émission X des disques d'accrétion, la dynamique de la fusion par confinement inertiel, ou les nouvelles sources de rayonnement nécessite une connaissance fine des propriétés radiatives des plasmas chauds. De tels plasmas présentent des spectres contenant un très grand nombre de raies souvent regroupées en faisceaux non résolus. L'interprétation de ces spectres requiert l'utilisation des méthodes statistiques.



À l'aide de la seconde quantification et de méthodes d'algèbre tensorielle, il est possible de calculer des quantités telles que la moyenne et la variance des énergies de transitions dans un faisceau. Il existe une littérature importante sur ce sujet, toutefois certains types de transitions, notamment les transitions dipolaires magnétiques internes à une configuration ou les processus mettant en jeu plusieurs électrons n'ont pas été abordés jusqu'ici.



En plus de cette étude analytique, un travail numérique utilisant le Flexible Atomic Code sera proposé au cours de cette thèse. Les plasmas seront étudiés soit à l'équilibre thermodynamique, soit hors équilibre par la résolution de système d'équations cinétiques. Ce programme de recherche nécessite une connaissance approfondie de la mécanique quantique et de la physique atomique des plasmas. Parmi les applications possibles figurent l'interprétation de mesures récentes d'opacité réalisées sur le laser LULI2000 de l'École Polytechnique, l'optimisation de sources extrême-UV pour la nanolithographie, la détermination des pertes radiatives du tungstène dans le divertor du tokamak ITER, ou encore le problème ouvert de la caractérisation des plasmas de silicium photoionisés étudiés sur Z-pinch en relation avec des observations astrophysiques.

 

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