La transmission de données numériques utilise une fréquence porteuse dont la phase, la fréquence ou l'amplitude sont modulées de façon à coder la suite de 0 et de 1 représentant l'information numérique. Le sujet d’étude de cette thèse concerne la modulation numérique de fréquence (FSK) dont les évolutions diverses ont donné naissance par exemple à la GMSK normalisée dans le GSM. Toutes les modulations de ce type ou utilisées jusqu’ici donnent un spectre en fréquence symétrique autour de la fréquence porteuse (Spectre à double bande latérale). La bande spectrale latérale supérieure et la bande spectrale inférieure contenant la même information, certaines applications utilisent alors un filtrage d’une bande latérale pour créer un spectre plus compact à Bande Latérale Unique (BLU). Mais jusqu’ici aucun type de modulation connu n’a été proposé capable de générer directement sans pré-filtrage un spectre à BLU. Un procédé de modulation breveté par le CEA (SSB-PSK, pour single Side band Phase Shift keying) propose une nouvelle forme d’onde, des lévitons de phase, originellement issue de travaux en physique quantique créant directement un spectre asymétrique à bande latérale unique (BLU ou SSB).



Le sujet de la thèse consistera alors à étudier en détails les performances de cette modulation en se focalisant principalement au niveau du récepteur. Il s’agira alors de proposer en particulier des algorithmes de synchronisation et d’égalisation performants adaptés à cette nouvelle forme d’onde afin d’atteindre les performances optimales obtenues sur des canaux gaussiens. Une implantation sur plateforme de type USRP sur des canaux réels devra enfin valider les résultats de simulation.

Ces dix dernières années ont vu l'émergence d'études sur la "matière active" - composée de particules qui transforment l'énergie d'une source ambiante en mouvement - comme un sujet bien défini de physique statistique hors équilibre, principalement motivé par la nécessité de comprendre et reproduire le lien entre la motilité individuelle et collective. Les expériences sont encore relativement peu nombreuses, mais avec l'émergence du domaine, de plus en plus de données statistiques obtenues dans des conditions bien contrôlées deviennent disponibles. Ces grandes masses de données ("big data") ouvrent la possibilité non seulement de tester la pertinence quantitative de modèles existants, mais aussi de concevoir et d'appliquer des algorithmes d'apprentissage (machine learning) pour "découvrir" spontanément des modèles quantitativement fidèles. Ainsi on pourra atteindre un des objectifs finaux qui est d'obtenir explicitement les relations entre les paramètres de contrôle expérimentaux et les paramètres du modèle. Si la tâche semble difficile, elle est de première importance, car les modèles, en particulier les modèles continus, contiennent généralement de nombreux paramètres de sorte que cette correspondance n'est pas biunivoque.



Au cours de cette thèse, des données expérimentales à haut débit sur les suspensions bactériennes ("big data", provenant de collaborateurs à Shanghai et à Hong Kong) seront utilisées pour construire des modèles quantitatifs et élaborer des théories de synthèse.



Le travail de doctorat consistera à suivre en parallèle deux voies pour construire des liens théorie-expérience quantitatifs et directs. La première méthode, plus usuelle et déjà amorcée au laboratoire, consiste à construire des modèles par l'optimisation multidimensionnelle d'un ensemble de quantificateurs de cibles. La seconde, plus exploratoire et innovante, et donc plus difficile et risquée, consiste à construire "automatiquement" les modèles par des algorithmes d'apprentissage sur les données expérimentales. La comparaison des résultats obtenus par les deux voies sera particulièrement intéressante.



Les travaux analytiques nécessaires pour dériver des théories cinétiques et hydrodynamiques à partir des modèles simples de nageurs interactifs ainsi obtenus, y compris les termes stochastiques, seront développés en parallèle.

La turbulence est un état atteint par la majeure partie des fluides dans des conditions “extrêmes” -fortes vitesses ou températures, grande taille du système-. Elle se manifeste dans de nombreux domaines industriels (turbines), aéronautiques (avions, fusées), géophysiques (atmosphère, océan) ou astrophysiques (étoiles, galaxies). Comprendre les phénomènes de turbulence constitue donc un enjeu scientifique, technologique et économique important. Soumis à une agitation mécanique, un fluide visqueux convertit le travail appliqué en chaleur via un processus complexe: son écoulement se structure en mouvements tourbillonnaires qui se ramifient sur plusieurs échelles allant de la taille du système (océan, lac, récipient,…) à l'échelle la plus fine, fonction de la viscosité. L’énergie injectée dans le fluide est finalement dissipée par effet de viscosité. Depuis près de 80 ans, on décrit ce processus par un modèle de cascade auto-similaire, du à Kolmogorov. Ce modèle sert de base à presque tous les modèles actuels de turbulence, et permet de reproduire extrêmement bien la majeure partie des grandes échelles des écoulements turbulents. Cependant, ce modèle devient de plus en plus mauvais au fur et à mesure que l'on descend vers les petites échelles, et ne permet pas de comprendre le comportement très intermittent de la dissipation d'énergie. Cela limite considérablement la modélisation des processus impliquant la turbulence à petite échelle, comme la combustion (problème pour simuler les moteurs) ou la condensation de gouttes (problème pour simuler la pluie en météo ou en climat).



Le but de la thèse est de tester une nouvelle description de la cascade d'énergie, basée sur l'hypothèse que la turbulence contient des singularités dans la limite de la viscosité tendant vers zéro. La quête des singularités dans les équations d’Euler ou de Navier-stokes représente un problème bien connu (cf. AMS Millenium Clay Prize), mais les récentes avancées, tant au niveau numérique qu’expérimental, remettent ce problème de nouveau d’actualité. En particulier, notre groupe a récemment mis en évidence, dans un écoulement turbulent de laboratoire, l'existence d'événements intenses de dissipation d'énergie non-visqueuse qui pourraient être associés aux singularités recherchées par les mathématiciens (Saw et al, Nature Communication 7, 12466 (2016)). Ces évènements ne sont pas décrits par le modèle de Kolmogorov, et pourraient servir de base à de nouvelles modélisations plus fidèles à petite échelle.



Nous proposons dans cette thèse une étude détaillée des processus de cascade et de dissipation d'énergie en utilisant le code SFEMaNS, qui sera testé par comparaisons avec les mesures expérimentales. Ce code utilise des éléments finis et une décomposition spectrale ainsi que des méthodes avancées de pénalisation, pour reproduire fidèlement l'expérience de laboratoire utilisée au SPEC.

Aujourd’hui, une grande part de l’énergie utilisée dans les processus industriels, entre 20 et 50%, est inutilement perdue en "chaleur fatale" sans être réutilisée. Jusqu’à 60-70% de l’énergie dans les moteurs à combustion interne est tout simplement relâchée dans l’atmosphère. Dans ce contexte, la récupération et la transformation en énergie électrique ou mécanique d’une partie de la chaleur fatale représente un enjeu important pour réduire la consommation globale.



Lorsqu'on chauffe un barreau conducteur à une extrémité, les électrons acquièrent de l'énergie cinétique et diffusent vers la partie froide. Les ions positifs par contre restent immobiles et il en résulte un déséquilibre de charge d'où l'apparition d'un champ électrique et d'un potentiel électrique dV proportionnel à la différence de température dT : dV=-SdT. Le facteur de proportionnalité S est appelé "coefficient Seebeck". Ceci fournit un schéma de principe à la conversion d'énergie thermique en énergie électrique (effet Seebeck) ou réciproquement (effet Peltier). Dans les deux cas, le rendement est une fonction croissante du "facteur de mérite" ZT=(S^2/Rho*Lambda)T où Rho et Lambda désignent respectivement les conductivités électrique et thermique du matériau. L'effet thermoélectrique dans des liquides conducteurs tels que les liquides ioniques, les solutions colloïdales chargées, etc., font l'objet de nombreuses études à cause de leur coefficient Seebeck très élevé. L’origine de la valeur élevée du coefficient Seebeck n’est pas encore complètement comprise. De possibles interprétations sont que le coefficient Seebeck croît avec l'entropie transportée par les ions et par les particules colloïdales chargées et que les macro-ions ou particules colloïdales chargées sont adsorbées à la surface des électrodes en créant un effet de double couche électrique (très élevé, à enlever).



Dans cette thèse, nous proposons l'étude expérimentale des propriétés thermoélectriques de fluides complexes (e.g., liquides ioniques, nanofluides (solutions colloïdales de nanoparticules chargées) afin de faire progresser notre compréhension sur l’origine physique de ce phénomène et d’identifier les nouveaux matériaux thermoélectriques dans le domaine du stockage de l'énergie (générateur thermoélectrique et supercondensateurs.). Le travail expérimental fera appel aux techniques de mesure du transport thermoélectrique et électrique, à la mesure de la charge thermoélectrique, à la caractérisation électrochimique (voltamétrie cyclique) ainsi que à l'acquisition automatisée des données et à l’interprétation des mesures.

L'objectif de cette thèse est d'étudier les fluctuations de puissances dans les écoulements turbulents. Les approches classiques ont déjà montré que la stationnarité des écoulements turbulents, qui impose l'égalité des puissances moyennes injectées à grande échelle et dissipée aux petites échelles, contraint le spectre des vitesses. Mais pour aller au-delà et expliquer la complexité et l'intermittence des écoulements turbulents, on peut s'intéresser aux propriétés statistiques des fluctuations des puissances mises en jeu dans les écoulements. Notamment on peut espérer mettre en évidence les corrélations entre puissance injectée et dissipée qu'impose la stationnarité et explorer leurs conséquences sur la structure de l’écoulement. Le défi expérimental sera d'estimer les fluctuations de puissance dissipée car cela nécessite une mesure fine des gradients de vitesse sur tout le volume de l'écoulement. Pour y parvenir, nous souhaiterions développer des mesures optiques de diffusion multiple couplées à l'acquisition d'image ultra-rapide. On complètera cette méthode innovante avec des mesures plus classiques afin de mesurer simultanément la puissance injectée et de chartériser la structure de l'écoulement.

Pour les 3 années de thèse, un financement par l'ANR a été obtenu en 2017. Une décision sur les candidatures reçues pourra être donnée par la laboratoire au début du printemps 2018.



Ce projet de recherche fondamentale et appliquée est motivé par la nécessité de prédire, contrôler et d’améliorer la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) soumises à d’amener un endommagement générant une apparition et une propagation lente de fissure (Corrosion Sous Contrainte, CSC).



Des études récentes [1-3] ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l’irradiation par électrons engendre des zones de démixtion. La question qu’on se propose de résoudre ici est de vérifier si l’apparition de zone de démixtion (APS, Amorphous Phase Separation) est bien responsable de l’amélioration comportement en corrosion sous contrainte, puis de l’étudier pour ensuite augmenter la tenue en service des verres.

Le doctorat devra étudier les propriétés physiques, mécaniques et Corrosion Sous Contrainte (CSC) des verres avec APS. L'objectif principal étant d'étudier in situ la propagation de la fissure par corrosion sous contrainte et l'analyser des surfaces de fracture dans des verres avec APS. Cela fournira des informations sur le comportement de la fissure en régime de CSC en fonction des différentes phases présentes dans les verres avec APS.



Cette méthode a déjà été utilisée dans nos équipes de recherche pour étudier la surface de fracture en fonction de la vitesse de propagation de la fissure dans de la silice pure (SiO2) et dans plusieurs échantillons SBN ("Si" "O" _"2" "-" "B" _"2" "O" _"3" "-N" "a" _"2" "O" ). L’utilisation de ces techniques pour l’étude du comportement en CSC de verres SBN APS aidera à comprendre comment la structure physique des verres modifie les propriétés mécaniques. Le doctorant sera donc amené à utiliser différents techniques expérimentaux tels que la spectroscopie Raman, la spectroscopie RMN, l'absorption des rayons X et de collaborer avec d’autres équipe de recherche : CEA, DEN et Université de Rennes 1. Le but étant de corréler les mécanismes de fissuration des verres avec d’autres propriétés macroscopiques et microscopiques.



Sur le plan logistique, le candidat sera co-encadré par C.L. Rountree au CEA et F. Célarié de l'Université de Rennes 1. Des essais de synthèse de verre et des essais préliminaires auront lieu à l'Université de Rennes 1 puis les tests de fissuration en CSC seront effectués au CEA. En conclusion, le thème de ce projet est la compréhension de la source des changements dans la propriété macroscopique, et en particulier comment contrôler les propriétés de fissuration en CSC en faisant varier la structure des verres via l’apparition de zone de démixtion (APS).



Publications

1) “SiO2-Na2O-B2O3 density: A comparison of experiments, simulations, and theory.”

M. Barlet, A. Kerrache, J-M Delaye, and C. L. Rountree, Journal of Non-Crystalline Solids. 382, 32, (2013)

2) "Hardness and Toughness of Sodium Borosilicate Glasses via Vicker's indentations”

M. Barlet, J-M. Delaye, T. Charpentier, M. Gennisson, D. Bonamy, T. Rouxel, C.L. Rountree

Journal of Non-Crystalline Solids. 417–418:66-69 (June 2015).

DOI:10.1016/j.jnoncrysol.2015.02.005

3) “From network depolymerization to stress corrosion cracking in sodium-borosilicate glasses: Effect of the chemical composition.”

M. Barlet, J.-M. Delaye, B. Boizot, D. Bonamy, R. Caraballo, S. Peuget and C. L. Rountree

Journal of Non-Crystalline Solids. 450:174-184 (15 October 2016).

4) “Role of evaporation rate on the particle organization and crack patterns obtained by drying a colloidal layer”

K. Piroird, V. Lazarus, G. Gauthier, A. Lesaine, D. Bonamy and C. L. Rountree

Europhysics Letters, 113:38002 (February 2016).

L'habileté des molécules à s'auto-assembler sur des surfaces peut être exploitée pour développer des composants a l'échelle nanométrique. L’objectif de cette thèse est non seulement de former, mais aussi, de commander l'agencement de larges architectures moléculaires multi-composants pour contrôler l’agencement de nanoobjets magnétiques. Ces architectures magnétiques seront caractérisées par microscopie à effet tunnel sous ultra vide (STM-UHV), spectroscopie polarisée en spin (SP-STS) et rayonnement synchrotron. Ces nanostructures sont des systèmes modèles pour étudier les phénomènes magnétiques originaux apparaissant aux échelles nanométriques.

L’Internet of Things (IoT) ou « objets connectés » nécessite un traitement intelligent, rapide et peu gourmand en énergie des données inhomogènes. L’e-Flash est actuellement la mémoire non-volatile (NVM) standard. Cependant, il souffre d’une vitesse d’écriture très lente, est consommateur d’énergie, possède une endurance limitée et enfin n’est pas robuste en milieux hostiles.



Les mémoires à base ferroélectriques (FeRAM) ont l’endurance la plus importante parmi tous les candidats de NVM, consomme peu d’énergie par bit. Cela fait d’eux d’excellents candidats pour remplacer Flash dans les applications embarquées.

Dans le cadre du projet européen H2020 3eFERRO, coordonné par le CEA, nous utiliserons de nouveaux matériaux ferroélectriques à base de HfO2, pour développer une technologie FeRAMS compétitive et versatile pour les e-NVM.

La formation d’une couche d’interface (CI) est d’une importance capitale dans la performance ultime des dispositifs et représente un défi majeur pour l’ingénierie de matériaux ferroélectriques HfO2.



Nous utiliserons des techniques de caractérisation avancées, telles que la photoémission avec les rayons X tendres et durs du rayonnement synchrotron, pour décrire la formation de la CI et ses conséquences sur l’alignement des bandes, les courants de fuites et les niveaux électroniques des défauts dans la bande interdite. Les résultats des études sur la structure, la chimie et les niveaux électroniques permettront une meilleure compréhension de l’influence des défauts et de la CI sur les paramètres des matériaux et les éventuelles performances des dispositifs.



L’imagerie des domaines ferroélectriques dans le HfO2 dopé et dans le HfZrO2 sera effectuée par la microscopie d’électrons à basse énergie et en photoémission (LEEM et PEEM) pour étudier la ferroélectricité à l’échelle nanométrique.

Le travail de thèse requiert une collaboration étroite avec les laboratoires partenaires du projet 3eFERRO. Le doctorant participera activement dans les différentes réunions du projet. Il ou elle effectuera plusieurs campagnes de mesure dans les synchrotrons, tels que Soleil (Saint Aubin) ; Elettra (Trieste) et Petra-3 (Hambourg).

Ce projet de recherche fondamentale et appliquée est motivé par la nécessité de prédire, contrôler et d’améliorer la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) soumises à d’amener un endommagement générant une apparition et une propagation lente de fissure (Corrosion Sous Contrainte, CSC).



Des études récentes [1-3] ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l’irradiation par électrons engendre des zones de démixtion. La question qu’on se propose de résoudre ici est de vérifier si l’apparition de zone de démixtion (APS, Amorphous Phase Separation) est bien responsable de l’amélioration comportement en corrosion sous contrainte, puis de l’étudier pour ensuite augmenter la tenue en service des verres.



Le doctorat devra étudier les propriétés physiques, mécaniques et rupture des verres avec APS avec des simulations de dynamique moléculaire. L'objectif principal étant d'étudier les propriétés physiques et comment il change les propriétés de rupture dans des verres avec APS. Cela fournira des informations sur le comportement de la fissure en fonction des différentes phases présentes dans les verres avec APS.



Cette méthode a déjà été utilisée dans nos équipes de recherche pour étudier la fracture dynamique en fonction de la vitesse de propagation de la fissure dans de la silice pure (SiO2). L’utilisation de ces DM pour l’étude du comportement en CSC de verres SBN APS aidera à comprendre comment la structure physique des verres modifie les propriétés mécaniques. Le doctorant sera donc amené à utiliser différents systèmes de HPC (in-house et les supercalculateurs). Le but étant de corréler les mécanismes de fissuration des verres avec d’autres propriétés macroscopiques, mesoscopiques, et microscopiques.



Sur le plan logistique, le candidat sera encadré par C.L. Rountree au CEA. En conclusion, le thème de ce projet est la compréhension de la source des changements dans la propriété macroscopique, et en particulier comment contrôler les propriétés de fissuration en CSC en faisant varier la structure des verres via l’apparition de zone de démixtion (APS).

Les matériaux ferroélectriques sont isolants par nature mais la découverte récente de la conductivité aux parois de domaine a ouvert une nouvelle époque pour ces matériaux: les parois peuvent avoir des propriétés électroniques très différentes et peuvent être manipulées sous application de champs électriques modestes. Elles sont intrinsèquement nanométriques et en conséquence adaptée à la miniaturisation. La rupture conceptuelle est basée sur la paroi de domaine qui devient l’élément actif d’un dispositif. Dans certaines conditions, les parois chargées peuvent être crées avec une conduction métallique, d’un ordre de grandeur plus important que celui du volume grâce à un gaz quasi-2D d’électrons qui se forme à la paroi. Cette conductivité peut être contrôlée chimiquement ou électriquement. L’objectif du projet est de réaliser, étudier et contrôler de telles parois de domaines chargées dans le BaTiO3 et dans le BiFeO3.

Nous proposons une thèse dédiée à l'étude théorique du transport électronique polarisé en spin dans des jonctions constituées de molécules organiques connectées à deux électrodes ferromagnétiques – le sujet est d’un très grand intérêt dans le domaine de la spintronique organique/moléculaire [1]. Un accent particulier sera 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 – 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), le champ électrique (grille électrostatique) ou la tension mécanique sur la molécule exercée par des électrodes. L’idée principale, est d’exploiter le principe de symétrie des orbitales moléculaires – argument que nous avons avancé récemment [2] – qui peut permettre de filtrer le spin du courant électrique de manière efficace. Des méthodes ab initio basées sur la DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité) implémentée dans le code Quantum ESPRESSO [3], en combinaison avec des calculs de transport modèles, basés sur le formalisme de Keldysh, seront utilisés au cours de ce projet. De nouvelles fonctionnalités comme, par exemple, le couplage électron-phonon sur la molécule ou le transport thermique, seront implémentés dans les codes QE et le transport électronique.



[1] A. R. Rocha et al., Towards molecular spintronics, Nature Mater. 4, 335(2005); S. Sanvito,

Molecular spintronics, Chem. Soc. Rev. 40, 3336 (2011); V. Alek Dediu et al., Spin routes in

organic semiconductors, Nature Mater. 8, 707 (2009);

[2] A. Smogunov and Y. J. Dappe, Symmetry-Derived Half-Metallicity in Atomic and Molecular

Junctions, Nano Lett. 15, 3552 (2015);

[3] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for

quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009).

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. 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 aimantation perpendiculaire et une forte interaction DM. Leur spectre d'excitation a également été calculé, mais jamais encore mesuré. L'objectif principal de cette thèse sera donc de mesurer expérimentalement les modes d'ondes de spin dans des nanostructures individuelles accueillant des skyrmions isolés. Un autre aspect sera d'étudier des dispositifs radiofréquence basés sur des skyrmions, qui tireront partie des spécificités de leur dynamique d'aimantation pour la génération et la détection de fréquence, ou bien encore le traitement de signal.



Ce travail de thèse sera conduit en étroite collaboration entre le Service de Physique de l’État Condensé (CEA/CNRS) et l'Unité Mixte de Physique CNRS/Thales dans le cadre du projet ANR TOPSKY qui a débuté fin 2017. Il sera co-dirigé par Grégoire de Loubens (SPEC) et Vincent Cros (UMPhy).

La recherche de matériaux combinant légèreté et résistance mécanique est un domaine en plein essor, tiré, dans le domaine du transport notamment par la volonté de réduire les émissions de CO2 et de développer des véhicules économes en carburant. Des progrès importants ont été accomplis récemment ; les méta-matériaux ou matériaux architecturés offre dans ce contexte un potentiel considérable (e.g micro-lattice inventé au Caltech et produit par Boeing).



L’idée proposée ici vise à obtenir une nouvelle classe de matériaux en introduisant une porosité invariante d’échelle (fractale) s’inspirant de la structure osseuse. Il s’agira aussi de regarder comment une telle structure poreuse se répercute en terme de "risques", i.e. de fluctuations statistiques autour du comportement moyen. L’objectif final est d’arriver à des outils de rationalisation rigoureux permettant de définir un/des optimums en termes de légèreté, résistance à la fissuration, et risques (au sens défini ci-dessus).



Nos recherches précédentes nous ont permis de développer un formalisme nouveau, à l’interface entre mécanique des milieux continus et physique statistique, capable de prendre en compte explicitement (dans des cas simples) les inhomogénéités de structure et de prédire les aspects statistiques induits sur le comportement en rupture. Il s’agira d’adapter ce formalisme au cas de porosité fractale. L’étude s’appuiera sur des approches numériques de type "Random Lattice model" de complexité croissante. Une attention particulière sera portée sur une caractérisation propre des fluctuations statistiques autour du comportement en rupture moyen. L’approche sera ensuite qualifiée au travers d’expériences menées sur des échantillons de porosité fractale obtenues par impression additive, puis cassées au moyen d’un dispositif expérimental original développé dans notre laboratoire et donnant accès à la ténacité et ses fluctuations statistiques.



Ce sujet de thèse met en jeux des notions appartenant à la fois à la physique statistique, l’ingénierie mécanique et la science des matériaux. Le candidat aura donc l’opportunité de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines. Une collaboration avec le laboratoire FAST à Orsay est prévue. Enfin, le caractère à la fois très fondamental et appliqué de cette recherche permettra au candidat de trouver à l’issue de la thèse des débouchés dans le monde académique et dans l’industrie.

Les oxydes ferroélectriques de structure pérovskite couplés à des ferrites magnétiques appartiennent à la nouvelle classe de matériaux multiferroïques artificiels. Ils suscitent un vif intérêt dans le domaine des applications liées à la spintronique et à la conversion de l’énergie. La nature du couplage, en particulier en condition d’opération sous stimulation d’un champ externe, reste largement inexplorée. On s’attachera à déterminer les conditions d’élaboration d’inclusions monocristallines de ferrites dans un film pérovskite par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique au CEA ou par traitement thermique. Le comportement de ces inclusions sera déterminé en fonctionnement et en utilisant des méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés et plus particulièrement la spectromicroscopie, l’absorption, la diffraction des rayons X et le dichroïsme magnétique sur les lignes de lumières HERMES, DIFFABS et DEIMOS du synchrotron SOLEIL dans une approche collaborative. Le (la) candidate abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures de magnétométrie ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

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 caractérisée par des directions d’aimantation préférentielles mais également par des propriétés de transport électronique qui dépendent de l’angle relatif entre l’aimantation et le courant électrique. 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. De même des expériences récentes ont mis en évidence des anisotropies de magnétorésistance (AMR : Anisotropic Magneto-Resistance) très fortes lorsque dans des constrictions de nickel connectées par une molécule de benzène.

Au cours de cette thèse nous nous proposons d’étudier à l’aide de méthodes de calcul de structure électronique ab-initio et/ou liaisons fortes l’anisotropie magnétique dans des systèmes hybrides substrat magnétique/molécule. On considéra dans un premier temps des couches de cobalt et/ou fer en interaction avec des molécules simples. 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.

Physique et applications d'électrons chauds d'origine plasmonique



A petite échelle, l’interaction de la lumière avec un objet métallique se traduit par l’occurrence de résonances au sein du spectre d’absorption, les résonances plasmon. Ces résonances correspondent aux processus d’oscillations collectives des électrons de conduction du métal [Mie 1908] et constituent un domaine de recherche à part entière baptisé plasmonique. Au-delà des aspects de manipulation du champ proche optique, un objet métallique à résonance plasmon constitue une source d’électrons chauds, dont les propriétés électroniques atypiques peuvent être mises à profit pour la conduite de réaction de chimie locale.



Ce travail a pour objectif d’étudier la physique amont de la production des électrons chauds par un objet métallique de petite taille en lien avec des applications, notamment médicales telles que la thérapie photodynamique ciblée. Il s’agit d’un travail à dominante expérimentale en collaboration étroite avec un partenariat pertinent de physiciens, chimistes, biologistes et oncologues issus de différentes institutions (CEA, CentraleSupélec, Hospital Saint-Louis). Il bénéficiera de l’expérience acquise par le groupe CEA IRAMIS SPEC en microscopie LEEM / PEEM (Low Energy Electron / PhotoEmission Electron Microscopy), dont le principe repose sur le suivi de la distribution des photoélectrons émis en réponse à une excitation plasmon [Douillard 2012, 2011] et constitue par la même une technique de choix pour ce type d’étude.



Les objectifs visent à répondre à d’importantes questions fondamentales relatives à l’émission d’électrons chauds par une particule métallique sous excitation optique multiphotonique. Il s’agit notamment de déterminer la dynamique d’émission des porteurs de charges (expérience pompe sonde) et leurs distributions tant spatiale à l’échelle du nano-objet, qu’énergétique au travers de spectres en énergie cinétique d’objets individuels. L’objectif ultime s’inscrit dans le cadre d’un projet d’oncologie médicale, dont le but est l’optimisation de thérapies en cours de développement, notamment photothermique et photodynamique.



Mots clefs : Electrons chauds, plasmon, laser, PEEM, LEEM



[Mie 1908] G. Mie, Ann. Phys. (Leipzig) 25 (1908) 377

[Douillard 2012, 11] C. Awada, et al. J. of Phys. Chem. C 16 (2012) 14591 DOI 10.1021/jp303475c, L. Douillard, F. Charra. J. of Phys. D: Applied Physics 44 (2011) 464002 DOI:10.1088/0022-3727/44/46/464002, C. Hrelescu, et al. Nano Lett. 11 (2011) 402–407 DOI: 10.1021/nl103007m



Laboratoire d’accueil CEA IRAMIS SPEC UMR CNRS 3680

Correspondant CEA chargé du suivi de la thèse ludovic.douillard@cea.fr

Ecole doctorale Ondes et Matière, Univ. Paris Saclay.

Nous avons développé des capteurs magnétiques, appelés capteurs mixtes, basés sur la combinaison d’une boucle supraconductrice et d’un microcapteur à magnétorésistance géante atteignant une sensibilité de l’ordre du femtoTesla. Ces capteurs ouvrent la possibilité d’explorer un nouveau domaine : la Résonance Magnétique Nucléaire et l’Imagerie par Résonance Magnétique à très bas champ (de l'ordre du milliTesla).



Actuellement un système prototype d'IRM très bas champ tête entière a été réalisé et a montré la pertinence de l'approche. Le but de la thèse sera d’une part de participer à l'installation du système à Neurospin et d'implémenter des méthodes d'accélération de l'acquisition basée sur une optimisation de la couverture de l'espace réciproque. En parallèle, un travail sur la génération suivante de capteurs magnétiques basée sur des jonctions tunnel magnétiques sera réalisé avec pour objectif d'améliorer le rapport signal sur bruit.

Le sujet porte sur la conception, la fabrication et la caractérisation de dispositifs à magnétorésistance géante (GMR) tout oxyde. Il a pour objectif de combiner la très haute polarisation de spin rencontrée dans les oxydes de la famille des manganites avec le fonctionnement à bas bruit d'un dispositif à GMR. Expérimentalement, il s’agira d’étudier le transport dépendant du spin dans des hétérostructures d'oxydes épitaxiés, et de déterminer les effets d'une ingénierie des matériaux et des interfaces. Les performances de jonctions GMR seront évaluées à l'aune d'applications pour les capteurs magnétiques.

Notre équipe déjà démontré théoriquement et expérimentalement l’intérêt de modes électromagnétiques spécifiques (modes "Epsilon-near-zero") pour l’optoélectronique. Ces modes permettent de confiner la lumière dans une couche d’épaisseur sub-longueur d’onde (donc inférieure à la profondeur de pénétration du rayonnement) et maximisent ainsi l’interaction entre les photons et la matière.



Le sujet de thèse porte sur la conception, la réalisation et la caractérisation de matériaux artificiels (métamatériaux) pour réaliser et contrôler ces modes électromagnétiques.



Deux approches seront envisagées :

- La première repose sur des concepts de détecteur à cascade quantique, en partenariat avec le C2N, l’ONERA, l’Institut d’Optique et le 3-5 Lab (Thalès) dans le cadre d’un projet ANR financé de 2018 à 2022.

- La seconde, plus exploratoire, propose d’utiliser des assemblages supra-moléculaires sur du graphène. Cette technique est au cœur de l’expertise du laboratoire.



Le doctorant devra modéliser et dimensionner les structures à réaliser (à l’aide de codes numériques déjà développés), puis devra fabriquer et caractériser les échantillons réalisés. Une partie de la fabrication sera réalisée en salle blanche.

La structure et la forme de nano-objets métalliques magnétiques influencent drastiquement leurs propriétés électroniques aux échelles nanométriques. L’objectif de cette thèse est de contrôler la croissance de nanocristaux métalliques de forme, taille, structure et composition chimique différentes et d’explorer comment ces paramètres modifient leurs propriétés magnétiques. Ces nanocristaux magnétiques seront caractérisés par microscopie à effet tunnel sous ultra vide (STM-UHV), spectroscopie polarisée en spin (SP-STS) et Rayonnement synchrotron. Ces nanostructures sont des systèmes modèles pour appréhender les phénomènes magnétiques originaux apparaissant aux échelles nanométriques.

Les iridates (composés à base d'iridium, tel que : Sr2IrO4, Sr3Ir2O7 ...) ont récemment attiré l'attention du fait de leurs propriétés physiques originales, telles que la supraconductivité à haute température critique ou l'état d'isolant topologique (matériau isolant en volume mais possédant des états de surface métalliques), dû à la présence d'un fort couplage spin-orbite et de fortes interactions électroniques. En particulier, l'identification d'une phase topologique dans ces oxydes devrait permettre d'explorer de nouvelles façons de manipuler le spin des électrons, un point clé pour les applications en spintronique.



Le but de ce projet de thèse est d'étudier l'émergence d'isolants de Mott (localisation des électrons dans une phase conductrice), de propriétés magnétiques et topologiques dans des monocristaux, des couches simples et des hétérostructures d'iridates. Plus précisément, les objectifs de la thèse seront de synthétiser de nouveaux composés de la famille des iridates (par exemple, Sr2IrO4 et Sr3Ir2O7) sous forme de monocristaux et de couches minces pour explorer leurs propriétés électroniques (nouvelles phases topologiques, nouveaux isolants Mott, etc.). Pour la croissance de monocristaux, la méthode d'auto-flux sera choisie. Les cristaux des composés purs seront synthétisés et le dopage électronique sera réalisé par des substitutions cationiques (par exemple Sr / La).



Les cristaux seront ensuite caractérisés par différentes techniques : diffraction de rayons X, microsonde électronique et mesures magnétiques (SQUID, magnétométrie VSM). Pour les films minces, une nouvelle technique de croissance sous ultra-vide développée au laboratoire sera utilisée : la méthode de dépôt par laser pulsé (PLD) avec un faisceau laser en régime nanométrique ou femtoseconde. La PLD est une technique bien connue pour la croissance épitaxiale de couches minces d'oxyde (cuprates, manganites, ferrites ...), qui est basée sur l'ablation par un faisceau laser de la cible du matériau à déposer sur un substrat monocristallin. Une attention particulière sera portée aux propriétés structurales et physiques des couches minces d'oxydes en utilisant la diffraction d'électrons in situ (RHEED), la spectroscopie par photoémission (XPS / UPS) ou des techniques ex situ comme la microscopie en champ proche (AFM), le magnétisme (SQUID, VSM).



Les propriétés électroniques des échantillons (cristaux et films) seront ensuite étudiées en collaboration avec le LPS-Orsay, y compris les mesures électriques et l'effet Hall de spin quantique, qui est la signature d'un état topologique.

Le développement de techniques de diagnostic précoce, est un vrai défi dans le domaine médical ou de la défense. Il s’agit 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. L’approche proposée par le LERI et le LNO est en cela très innovante. Elle est basée sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps développés au LERI avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs magnétiques à base d’électronique de spin très sensibles. Le LNO possède une très grande expertise dans la conception et l’utilisation de ces capteurs GMR. Ils détectent de très faibles champs magnétiques et présentent l'avantage de pouvoir être intégrés dans des biopuces (facilement transportables). La collaboration transversale LNO/LERI permet donc d’envisager des tests de diagnostic rapide, de moindre coût dans des zones parfois dépourvues de toute infrastructure médicale de pointe. Ce sujet fait actuellement l’objet d’une thèse. La spécificité du test a pu être mise en évidence en étudiant des cellules cancéreuses de type myélome murin.



Au cours de cette thèse qui se fera en collaboration avec le LERI, il s’agira d’une part d’augmenter la rapidité du test en multipliant les canaux et les capteurs sur le dispositif actuel, d’autre part de poursuivre l’étude sur des objets biologiques de plus petite taille (bactéries et protéines). Au LNO, il faudra donc modifier le laboratoire sur puce actuel. L’étudiant devra donc mettre au point un nouveau dispositif comprenant des capteurs GMR et des canaux microfluidiques avec les différentes techniques disponibles dans le service (Salle blanche, découpe laser, machines de dépôts). En collaboration avec le LERI (DSV/IBITECS), spécialisé depuis de nombreuses années dans le développement de tests rapides de détection, il fonctionnalisera des particules magnétiques avec divers anticorps dirigés contre différents objets biologiques comme des bactéries pathogènes impliquées dans des infections alimentaires, et protéines responsables de la résistance aux antibiotiques), puis évaluera la sensibilité et la spécificité des tests développés.

La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène, en utilisant l’énergie solaire. 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.



Dans la thèse expérimentale proposée, nous proposons d’utiliser la polarisation électrique d’un ferroélectrique pour exalter la séparation de charge dans les photoanodes. Pour cette étude, nous étudierons des échantillons modèles préparés par épitaxie par jets moléculaires et étudierons l’influence de l’orientation de la polarisation électrique (vers le haut, vers le bas, non polarisé et multi domaines) sur l’efficacité pour la photo-électrolyse. De plus, afin de comprendre le rôle exact de la polarisation, nous mesurerons en utilisant le rayonnement synchrotron, la durée de vie de la paire électron-trou et la structure électronique pour les différents états de polarisation. Cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche collaboratif entre le CEA, le synchrotron SOLEIL et avec l’université de Bourgogne pour la modélisation des systèmes étudiés.

La thèse est dédiée au développement de code pour étudier théoriquement des phénomènes de transport dans des systèmes ouverts quantiques de taille nanométrique, constitués de deux réservoirs macroscopiques connectés par une jonction à l’échelle atomique – sujet de très grand intérêt du point de vue fondamental mais aussi pour des applications technologiques.



Les électrodes macroscopiques peuvent être constituées par des surfaces (magnétiques) métalliques ou par des plans de matériaux bidimensionnels (tels que le graphène) et la jonction réalisée par une chaîne atomique ou une molécule (magnétique) unique. Plusieurs types de canaux de transport dans le système, comme par exemple une propagation d’électrons ou de phonons, vont être traités de façon unique en utilisant une approche quantique de fonctions de Green hors équilibre [1]. Le code s'appuiera sur un modèle réaliste de liaisons fortes avec les paramètres nécessaires qui seront extraits des calculs ab initio dans le cadre de la DFT (Théorie de la Fonctionnelle de la Densité). Comme outil principal de DFT nous allons utiliser le package Quantum ESPRESSO (QE) [2] – un des codes de structure électronique les plus précis à base d’ondes planes. Notre code va généraliser le code de transport quantique PWCOND [3] (qui est inclus dans QE) dans le but d’être appliqué aux phénomènes de transport d’un point de vue général, et de traiter des systèmes quantiques de plus grande échelle. Il va permettre en particulier de calculer des courants électriques et thermiques en fonction d’un voltage appliqué ou d’un gradient de température, et ainsi d'explorer différents effets thermoélectriques. En outre, des interactions électron-électron ou électron-phonon dans la jonction peuvent être naturellement implémentés dans le modèle, ce qui permettra aussi d'adresser la physique de Kondo ou d’étudier la conversion et les échanges d'énergie entre degrés de liberté électroniques et phononiques.



[1] J. C. Cuevas and E. Scheer, Molecular Electronics: An Introduction to Theory and Experiment, World Scientific (2010)

[2] P. Giannozzi et al., QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials, Phys.: Condens. Matter 21, 395502 (2009)

[3] A. Smogunov, A. Dal Corso, E. Tosatti, Ballistic conductance of magnetic Co and Ni nanowires with ultrasoft pseudo-potentials, Phys. Rev. B 70, 045417 (2004)

Depuis sa création il y a plus de 30 ans par Binnig et Rohrer, le microscope électronique à effet tunnel (STM) est devenu un instrument de choix, non seulement pour l’étude des structures atomiques de surfaces ou de nanostructures en surface, mais également pour la détermination des propriétés électroniques de ces systèmes. Cependant, la complexité des images obtenues expérimentalement requiert fréquemment un support théorique avancé pour parvenir à une correcte interprétation des données expérimentales. En ce sens, la détermination de la structure atomique et électronique sur la base de calculs dans le cadre de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) représente un outil complémentaire très intéressant pour la caractérisation de ces systèmes. L’objet de cette thèse est de poursuivre plus avant les développements numériques en termes de simulation d’images STM par la prise en compte des effets de polarisation de spin. En effet, l’étude des nanostructures magnétiques revêt une importance fondamentale dans la recherche actuelle du fait des nombreuses applications dans les technologies de l’information et de la communication. Au cours de ce travail, il s’agira donc d’introduire la polarisation de spin dans un code de calcul de DFT, puis de reprendre les développements précédemment réalisés pour calculer le courant polarisé en spin entre la pointe STM et le système étudié. Ces développements seront ensuite confrontés à des systèmes expérimentaux de référence.

Les interactions entre nanoparticules magnétiques entraînent une grande variété de comportements magnétiques dont l'étude à elle seule constitue un domaine émergent de la physique : le "supermagnétisme". Dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons une étude expérimentale des transitions supermagnétiques : verre de superspins (SSG) et superferromagnétisme (SFM) dipolaire, dans des supracristaux (SC) de nanoparticules (NP) de cobalt aux contraintes structurelles contrôlées.



Nous travaillons sur des supracristaux 3D, solides artificiels dont la brique élémentaire est non plus l'atome mais la nanoparticule, petit cristal de dimension nanométrique. Comme dans les solides atomiques, les nanoparticules sont organisées suivant une structure spécifique, dans notre cas un réseau cubique à faces centrées, qui présente une compacité importante. Régulièrement organisées sur les sites supracristallins, les nanoparticules peuvent donc interagir entre elles par interaction magnétique dipolaire. La simplicité géométrique de ces supracristaux en fait un système "réel" simple et riche d’enseignements, qui peut être modélisé numériquement et théoriquement. Les échantillons de supracristaux sont préparés par le laboratoire MONARIS, UPMC/CNRS, dans des conditions de cristallinité (des NP et des SC) et de morphologie contrôlées.



Le sujet de cette thèse concerne l’étude expérimentale de l’évolution de l’état magnétique de supracristaux de nanoparticules de cobalt. Nous travaillerons à partir de deux méthodes de mesures : une méthode globale par magnétomètrie à SQUID (Superconducting Quantum Interference Device) et une méthode microscopique par sonde de Hall de taille micrométrique. Cette deuxième méthode permet de mesurer le champ magnétique local dans des domaines de taille micrométrique, donc comparables à celle d’un supracristal isolé, et peuvent être sensibles au retournement d’aimantation d'un petit nombre de nanoparticules. A l’aide de ces deux méthodes, nous espérons pouvoir détecter une transition SSG/SFM dans un supracristal unique monocristallin, preuve expérimentale décisive de l’existence du SFM dipolaire.



Le principal enjeu de ce travail concerne la physico-chimie fondamentale : mise en évidence d’un état superferromagnétique dipolaire prévu par la théorie mais non encore observé expérimentalement dans les systèmes 3D. Le travail expérimental effectué dans le cadre de la thèse se fera donc en étroite collaboration avec les théoriciens, pour interpréter les résultats expérimentaux mais également pour valider les modèles développés. Enfin l’utilisation de ces supracristaux intéresse le domaine médical, le stockage de données…



Les expériences projetées feront intervenir des connaissances en magnétisme des nanoparticules, des techniques de mesures magnétiques (magnétométrie ultra-sensible intégrant des mesures à faible niveau) et de cryogénie, des analyses statistiques et l'interprétation de résultats expérimentaux. Les candidats motivés auront la possibilité de participer à la synthèse des NP, des SC et à leurs caractérisations structurales (SAXS, TEM, MEB, etc.).

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 cette thèse 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.

Le but de la thèse est de détecter un unique ion de terre rare implanté dans un cristal hôte en améliorant la technique de résonance de spin électronique (ESR) : on utilisera pour cela le spin de l'ion Er3+ qui sera couplé à un résonateur microonde supraconducteur de très basse impédance, comprenant une constriction de 200nm x 50 nm x 15 nm placée quelques 20 nm au-dessus du spin. Le tout sera mesuré à 20 mK, le signal étant amplifié par un amplificateur paramétrique fonctionnant près de la limite quantique.

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

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.



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).

Ce sujet bénéficie aujourd'hui d'un financement CEA, comme sujet "phare". La sélection des candidatures reçues se fera au début du printemps 2018.



Les effets thermoélectriques Seebeck et Peltier permettent la conversion d'énergie thermique en énergie électrique et vice-versa. Ainsi l'on peut avec l'effet Seebeck récupérer de la chaleur perdue pour produire de l'électricité. A l'inverse, il est possible en utilisant l'effet Peltier de refroidir localement un dispositif en exploitant de la puissance électrique. Pendant longtemps, ces effets thermoélectriques n'ont montré que des rendements très faibles et ils n'ont ainsi trouvé que des applications marginales. Mais depuis peu, les règles du jeu ont changé : la découverte de nouveaux matériaux prometteurs, les progrès en nanofabrication et la volonté grandissante de répondre aux impératifs d'économie d'énergie ont relancé la recherche.



Nous proposons dans cette thèse théorique d'étudier analytiquement et numériquement la conversion thermoélectrique dans des systèmes mésocopiques de basse dimension. Nous nous intéresserons à un régime loin de l'équilibre où des effets thermoélectriques importants sont attendus. Nous considérerons en particulier des systèmes soumis à un forçage dynamique. D'un point de vue méthodologique, nous utiliserons les outils numériques et le formalisme analytique développés au CEA-Grenoble (groupe de Xavier Waintal) pour l'étude du transport quantique résolu en temps (voir https://kwant-project.org/). Nous l'adapterons au cas du transport thermoélectrique et l'appliquerons sur divers systèmes (boîte quantique, contact ponctuel quantique, nanofils…).

La matière active fait référence aux propriétés collectives des entités capables de transformer de l'énergie en travail mécanique, comme le déplacement. La majeure partie du monde vivant et de plus en plus de systèmes artificiels appartiennent à ce domaine. Les groupes d'animaux, les tissus, les colonies de bactéries sont des illustrations de matière active. On remarque que la matière active se rencontre à toutes les échelles. Aujourd'hui, l'humanité confectionne principalement des micronageurs. Cependant, elle nourrit l'espoir de fabriquer des matériaux capables de s'auto-organiser de façon dynamique ou de profiter de l'effet de masse pour effectuer des tâches de façon performante.



Les mouvements collectifs sont un axe majeur dans l'étude de la matière active. Les modèles simples de mouvements collectifs peuvent être représentés par des systèmes où les degrés de libertés essaient de se synchroniser: par exemple, la direction dans laquelle les particules se déplacent pour un groupe de particules. Cependant il existe beaucoup de systèmes, tels que des organismes vivants, présentant des degrés de libertés internes qui vont alors essayer de se synchroniser. Cette synchronisation va alors influencer le mouvement à son tour. Par exemple, cela est observé expérimentalement dans le cas des myxobactéries. Elles renversent spontanément leur direction de déplacement après un certain temps. Dans le cas d'une forte concentration de bactéries, on voit apparaître des zones où de nombreuses bactéries synchronisent leur changement de direction. Cela engendre donc des effets collectifs nouveaux.



Le but de ce projet est de proposer un cadre théorique général prenant en compte le couplage entre synchronisation des degrés de libertés internes et direction du mouvement. Il est attendu des résultats importants sur les micro-organismes tels que les bactéries et sur l'auto-organisation des particules actives synthétiques à l'échelle microscopique et nanoscopique.