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. Ce système est actuellement installé a Neurospin dans un laboratoire dédié.

Le but de la thèse sera de développer un appareil proche destiné à l'imagerie du nouveau né afin de répondre à un problème important de monitoring des enfants prématurés. Il s'agira de développer les antennes adaptées, les séquences permettant de mesurer la présence d'ischémies ou d'hémorragies et si possible d'implémenter les approches récentes de deep Learning pour un traitement automatique des images.

Cette thèse se déroulera en collaboration avec les hôpitaux du Kremlin-Bicêtre et de Robert Debré.

Dans le cadre du projet ANR JCJC PlasmonISC, nous proposons un sujet de thèse majoritairement expérimental en nano-photonique.

L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence d’une nano-antenne (plasmonique ou magnétique) sur le taux de croisement intersystème d’une molécule unique fluorescente.



Lorsqu’une molécule fluorescente est pompée optiquement, un électron passe de l’état singulet fondamental à un état singulet excité. L’électron ainsi promu peut alors suivre différents chemins de relaxation : radiative (émission d’un photon de fluorescence), non radiative (cédant son énergie directement à l’environnement), mais il peut aussi passer dans un état triplet qui est en général sombre. Ce passage est appelé croisement inter-système.

Grace à un protocole de mesure basé sur le suivi simultané du flux de photon dans le temps et de mesures d’anticorrélation, il est possible de remonter aux différents taux régissant la photophysique de la molécule, et en particulier le passage de l’état singulet à l’état triplet.



La thèse se déroulera en deux grandes parties :

- Fonctionnalisation robuste d’une pointe de microscope à force atomique par une nanoparticule.

- Mesures optiques sur une molécule unique en présence et absence de la nanoparticule pour obtenir une mesure quantitative de l’influence de la nanoparticule.

Les compétences développées pendant la thèse, au-delà de la formation au travail scientifique seront les suivantes :

- Microscopie à force atomique

- Micro/nano-fabrication

- Microscopie optique et spectroscopie sur objets uniques

- Optique quantique avec des photons uniques

- Nanophotonique



Le candidat devra être diplômé d’une école d’ingénieur ou d’un master recherche, de préférence en nanosciences. Il devra avoir un goût prononcé pour la physique expérimentale. Une expérience préalable en microscopie/spectroscopie, et/ou en fabrication en salle blanche sera un plus.

L’interaction d’une nanoparticule métallique avec une impulsion de lumière ultrabrève s’accompagne notamment d’une émission d'électrons chauds, d’intérêt pour les applications biomédicales en particulier les thérapies oncologiques ciblées. Liée à l’occurrence de résonances plasmons au sein d’une nanoparticule métallique, cette émission se manifeste dans la fenêtre de transparence du corps humain (rouge 700 nm - proche infrarouge 1500 nm) autorisant un large accès thérapeutique. En milieu biologique, les électrons émis génèrent localement des espèces réactives de l’oxygène (reactive oxygen species ROS) dans un rayon de l’ordre du micromètre autour de la source. Ces espèces ROS sont la source d’un important stress oxydatif pour les cellules, agent moteur des photothérapies en cours de développement.



Ce travail a pour objectif d’optimiser la production des électrons chauds par un objet métallique de dimension sublongueur d’onde en vue d’applications biomédicales, en particulier les thérapies photothermiques et photodynamiques appliquées au cancer du sein. Il s’agit d’un travail à dominante expérimentale en collaboration étroite avec un partenariat pertinent de physiciens, chimistes, biologistes et oncologues (CEA, CentraleSupélec, ENS Paris Saclay, AP-HP Hôpital Avicenne). 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 électrons émis en réponse à une résonance plasmon. Cette technique permet notamment de déterminer, à l’échelle de l’objet individuel, la dynamique temporelle d’émission des électrons et leurs distributions tant spatiale qu’énergétique au travers de la mesure de leur spectre d'énergie cinétique.



Dans le cadre du projet INSERM Plan Cancer HEPPROS, les nanoobjets cibles optimisés pour une émission efficace d'électrons chauds, sont recouverts d'un polymère biocompatible pour la conduite d’études in vitro et in vivo sur des tumeurs de la bibliothèque tumorale de l'Hôpital Avicenne.



Mots clefs : Thérapie photodynamique, électrons chauds, plasmon, laser, photoémission, PEEM, LEEM



[Douillard 2017, 2012, 2011] S. Mitiche et al. J. of Phys. Chem. C 121 (2017) 4517–4523, C. Awada, et al. J. of Phys. Chem. C 16 (2012) 14591, L. Douillard, F. Charra. J. of Phys. D: Applied Physics 44 (2011) 464002, C. Hrelescu, et al. Nano Lett. 11 (2011) 402–407



Laboratoire d’accueil CEA IRAMIS SPEC UMR 3680

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

Ecole doctorale Ondes et Matière, Univ. Paris Saclay.

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

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

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

Les opérations d’assainissement et de démantèlement des anciennes installations nucléaires de recherche créent d’importants volumes de déchets qui doivent être transportés en parfaite sécurité vers les unités de stockage ou de traitement. Les colis de transport sont des dispositifs multicouches, étanches, conçus pour arrêter les rayonnements ionisants, mais aussi résister aux chocs, poinçonnements, aux contraintes thermiques…. Ces contraintes rendent les colis actuels très lourds, difficile à manipuler, et augmentent les doses reçues lors de celle-ci.



Ce projet de thèse vise à concevoir de nouveaux matériaux pour colis de transport, à la fois ultralégers et compatibles aux contraintes mécaniques/thermiques rencontrées. Dans ce contexte, les métamatériaux type microréseaux (formés de microtubes arrangés périodiquement) s’avèrent prometteurs : en plus d’être bien plus légers que les matériaux massifs (de plusieurs ordres de grandeur !), ils semblent offrir une résistance à la compression bien supérieure. Il s’agira de comprendre l’origine de cette résistance anormale, puis d’optimiser l’architecture des microréseaux dans ce cadre. Dans une approche bio-inspirée, le potentiel amené par des architectures aléatoires et hiérarchiques sera en particulier exploré. L’étude s’appuiera sur des approches numériques de type « Modèle de poutres sur réseaux » de complexité croissante. Ces approches seront qualifiées au travers d’expériences menées sur des métamatériaux obtenues par impression additive. Cette thèse est adossée à une autre thèse plus orientée chimie et matériaux, visant à concevoir les meilleurs composites résines/nanoadditifs pour optimiser la protection aux rayonnement ionisant, les propriétés neutrophages et la tenue à l’irradiation.



Ce sujet de thèse implique un goût du travail en équipe ainsi qu’une importante curiosité scientifique et un esprit d’ouverture. Il met en jeu des notions appartenant à la fois à l’ingénierie mécanique, la physique non-linéaire et la science des matériaux. Le candidat retenu aura l’opportunité de manipuler les outils théoriques, numériques et expérimentaux utilisés dans ces trois domaines. Le caractère à la fois fondamental et appliqué de cette recherche permettra au candidat de trouver à l’issu de sa thèse des débouchés dans le monde académique et dans l’industrie.

Historiquement, l’expérience Hong ou Mandel a été réalisée afin d’obtenir des informations dans le domaine temporel des paquets d’onde du photon : une manière directe pour mesurer la largeur temporelle des paquets d’onde du photon. L’absence de détecteurs quadratiques pour mesurer l’autocorrélation en temps pour des niveaux de signaux aussi faibles a amené Hong, Ou et Mandel à considérer la cohérence du deuxième ordre g_2 (tau)=|Psi(x)¦Psi(x-tau)|^2 en faisant collisionner des photons émis par conversion paramétrique basse sur une lame séparatrice. L’interférence entre deux particules indiscernables a comme conséquence que le recouvrement des paquets d’onde dépendra de la statistique des particules détectées. Après N0 expériences, les fluctuations du nombre de particules sont données par Delta_N^2~(1±|Psi(x)¦Psi(x-v_F tau)|^2), avec un signe positif pour les bosons, négatif pour les fermions, tau étant la différence temporelle entre particules et v_F leur vitesse. Pour des états quantiques qui ne se recouvrent pas à large tau, on retrouve les fluctuations de deux particules indépendamment partitionnées. Pour tau nul (recouvrement total), la statistique bosonique double le bruit alors que la statistique fermionique l’annule. L’expérience Hong ou Mandel est maintenant un standard en optique quantique. La mise au point de lame séparatrices électroniques dans l’AsGa/AlGaAs combinée à l’utilisation de source d.c. et a.c. a permis de réaliser l’expérience Hong Ou Mandel avec des électrons [1,2].

Récemment, nous avons montré qu'il était possible de réaliser des lames séparatrices dans le graphène et d'obtenir un interferomètre de Mach Zehnder avec une visibilité record de 88% [3]. Sur le même principe, nous proposons une géométrie originale du type Hong Ou Mandel pour sonder pour la première fois la statistique des fermions dans le graphène.

Lors de ce stage, l'étudiant rejoindra une expérience en cours. En parallèle des calculs théoriques seront menés ainsi que des simulations numériques de collision d'électrons dans le graphène.

Ce sujet de stage s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’ERC starting grant COHEGRPAH (2016).



[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, & D. C.Glattli , Nature 502, 659-663 (2013)

[2] E. Bocquillon et al., Science 339, 1054 (2013)

[3] Coherent manipulation of the valley in graphene, M. Jo, P. Brasseur, A. Assouline, W. Dumnernpanich, P. Roche, D.C. Glattli, N. Kumada, F.D. Parmentier, and P. Roulleau, to be submitted to Nature(2019)

Pour certains matériaux qui présentent une réponse magnétique et notamment les aciers, propriétés mécaniques et magnétiques sont corrélées via la microstructure. La mesure des propriétés magnétiques à l’échelle locale pourrait donc permettre d’accéder aux propriétés mécaniques des matériaux de façon non destructive et à une meilleure compréhension de leur microstructure. Afin d’obtenir des contrastes supplémentaires, il est possible d’utiliser la cartographie de la réponse en fréquence à l’application d’un champ magnétique alternatif (susceptibilité magnétique).

Un outil de cartographie magnétique à l’échelle locale a été développé en combinant des capteurs magnétiques magnétoresistifs et un scanner. L’utilisation de l’effet de magnétorésistance géante (GMR) permet de développer des capteurs magnétiques très sensibles, détectant des champs magnétiques de l’ordre du nT/vHz et dont la taille peut être submicronique. La spécificité du système est que trois ou quatre capteurs positionnés sur un support pyramidal scannent la surface afin de mesurer les trois composantes du champ de fuite émis par la surface des matériaux et de réaliser ainsi une cartographie 3D avec une résolution latérale de l’ordre de la dizaine de micromètre.

La thèse consistera en l’adaptation de cet imageur afin de permettre la cartographie de la susceptibilité magnétique de surface de matériaux sur une très large dynamique spectrale (de DC à 100MHz). Outre l’émission du champ AC et l’électronique de détection adaptée, des capteurs à magnétorésistance tunnel (TMR) seront développés et intégrés sur l’imageur. En effet, les capteurs TMRs possèdent une sensibilité meilleure que les GMRs d’un facteur 20 environ à haute fréquence. Les problématiques de contrôle de la distance surface – capteur et de dérives en température seront aussi adressées.

Dans un deuxième temps des échantillons de calibration seront imagés afin d’obtenir les données d’entrées pour le modèle théorique déjà développé et ainsi permettre l’évaluation par simulations des distributions du champ magnétique dans les matériaux ferromagnétiques, dans le but d’interpréter les résultats expérimentaux.

L’étude portera ensuite sur des systèmes d’intérêt particulier. Deux applications sont potentiellement visées : les aciers ferromagnétiques afin de corréler les propriétés magnétiques avec les propriétés mécaniques et avec d’autres techniques de caractérisation comme les mesures de bruit Barkhausen. Le deuxième système concerne l’évaluation de performance de l’imageur et des capteurs développés pour la détection de défauts au bord de pièces métalliques en cours de construction par fabrication additive et notamment la différentiation de zones fusionnées et non fusionnées.

La production d’hydrogène par l’électrolyse de l’eau est une approche propre et viable, mais très gourmande en énergie électrique. Pour réduire l’apport en énergie électrique nous étudions la possibilité d’utiliser le rayonnement solaire qui, absorbé par des oxydes semi-conducteurs photosensibles identifiés et optimisés, génère des paires électrons-trous participant aux réactions d’oxydoréduction dans une cellule de photoélectrolyse1,2.

L'hématite est le matériau semi-conducteur prototypique utilisé comme photoanode. L’hématite est très abondante, pas chère ayant un faible impact environnemental, des atouts qui doivent être considérés avec une attention particulière de nos jours. Des progrès importants ont été réalisés pour améliorer les propriétés de l'hématite en vue d'une réaction de photoélectrolyse plus efficace2–5. Néanmoins, par rapport aux matériaux présentant des efficacités les plus élevés6, l’hématite apparaît moins efficace en raison du faible libre parcours moyen des trous2 ainsi qu’à une mauvaise cinétique à l'interface hématite / électrolyte lors de l’oxydation7,8. L'existence d'états de surface empêche un transfert direct de trous dans l'électrolyte lors de l’oxydation de l’eau9. Optimiser la cinétique de surface en contrôlant ces états de surface est donc la clé pour augmenter l'efficacité des photoanodes d’hématite10.

Nous proposons une étude visant à comprendre et à optimiser la cinétique de surface et la stabilité dans le temps des photoanodes à base d'hématite, à la fois à l'échelle macro et nanométrique et dans des conditions de travail réelles, c'est-à-dire pendant la réaction photoélectrochimique. Les nanofils d'hématite seront déposés par voie chimique en solution aqueuse (ACG11). Différents traitements de surface (abrasion ionique, gravure chimique, recuit, fonctionnalisation de surface, etc.) seront testés et analysés pour améliorer la cinétique de surface. Combinant des mesures de spectro-microscopie à rayons X (STXM) et de microscopie électronique (TEM12 et le ESEM13,14) en conditions réels dans une cellule électrochimique dédiée contenant les nanofils d’hématite comme électrode de travail, permettra de quantifier la composition chimique et la structure électronique à l'échelle nanométrique, pendant l’oxydation. Cette approche permettra de mettre en évidence et de quantifier les états de surface responsables de la faible cinétique OER de l’hématite. Les résultats microscopiques seront corrélés à l'activité photoélectrochimique des photoanodes mesurée sur un banc dédié à la mesure du photocourant, à la morphologie de la surface mesurée en AFM et en SEM et au potentiel de surface mesuré en KPFM. In fine, cette étude devrait fournir des solutions précises pour améliorer l'efficacité des photoanodes à base d’hématite pour la photoélectrolyse de l'eau.

1. Fujishima, A. & Honda, K. Nature 238, 37–38 (1972).

2. Krol, R. va de & Grätzel, M. (Springer, 2012).

3. Rioult, M., Magnan, H., Stanescu, D. & Barbier, A. J. Phys. Chem. C 118, (2014).

4. Rioult, M., Stanescu, D., Fonda, E., Barbier, A. & Magnan, H. J. Phys. Chem. C 120, 7482–7490 (2016).

5. Rioult, M., Belkhou, R., Magnan, H., Stanescu, D., Stanescu, S., Maccherozzi, F., Rountree, C. & Barbier, A. Surf. Sci. 641, 310–313 (2015).

6. Kalanoor, B. S., Seo, H. & Kalanur, S. S. Mater. Sci. Energy Technol. 1, 49–62 (2018).

7. Tamirat, A. G., Rick, J., Dubale, A. A., Su, W. N. & Hwang, B. J. Nanoscale Horizons vol. 1 243–267 (2016).

8. Glasscock, J. A., Barnes, P. R. F., Plumb, I. C. & Savvides, N. J. Phys. Chem. C 111, 16477–16488 (2007).

9. Iandolo, B., Wickman, B., Zoric, I. & Hellman, A. J. Mater. Chem. A 3, 16896–16912 (2015).

10. Zhang, J. & Eslava, S. Sustainable Energy and Fuels vol. 3 1351–1364 (2019).

11. Vayssieres, L. International Journal of Nanotechnology vol. 1 1–41 (2004).

12. Ortiz Peña, N., Ihiawakrim, D., Han, M., Lassalle-Kaiser, B., Carenco, S., Sanchez, C., Laberty-Robert, C., Portehault, D. & Ersen, O. ACS Nano 13, 11372–11381 (2019).

13. https://axlr.com/offres-technologies/celdi/.

14. http://www.newtec.fr/fr/celdi/.

Un sujet de thèse est proposé au sein du Groupe de Modélisation et Théorie du SPEC (UMR 3680 CNRS – CEA Saclay).

Il s'agit d'un travail théorique portant sur les propriétés électroniques de matériaux carbonés nouveaux tels que des nano-grilles de graphène (réseau parfaitement périodique de trous calibrés dans un plan de graphène), flakes de graphène (macromolécules monodisperses, dont la forme est contrôlée) ou rubans de graphène. Ces matériaux présentent des nouvelles propriétés d’intérêt dans les domaines de l’optique, l’électronique ou la spintronique. Ce travail consistera à étudier la structure atomique et électronique de ces matériaux, dans le cadre de leur synthèse, afin d'en extraire les propriétés de transport électronique ainsi que leur réponse optique. Les méthodes utilisées seront la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT), ainsi que des méthodes de type liaisons fortes, qui permettront de déterminer la structure électronique de ces objets avec différents degrés de précision et pour différentes tailles de systèmes. A partir de la structure électronique, les propriétés de transport seront déterminées dans un formalisme de fonctions de Green. Il s’agira également de simuler les images de microscopie électronique a effet tunnel (STM) ainsi que les spectres tunnels correspondant, afin de les comparer aux données expérimentales. Les propriétés optiques (absorption et luminescences) seront calculées à partir des résultats DFT précédents. Il s'agira ici de déterminer les fonctions de réponse via des approches combinées DFT/liaisons fortes. Une partie du travail consistera à développer le modèles liaisons fortes permettant de traiter les plus grandes structures.



Ce projet s'inscrit dans le cadre d'une collaboration entre différentes équipes du plateau de Saclay : des chimistes en charge de la synthèse de ces matériaux (CEANIMBE et ICMMO Paris XI), un groupe de microscopie en champ proche (ISMO) et un groupe d'opticiens (LAC Paris XI). Les travaux théoriques seront réalisés lors de cette collaboration ce qui assurera un cadre de comparaisons et de feedback théorie/expériences extrêmement fructueux. Le/la candidat(e) devra avoir une formation dans le domaine de la physique théorique de la matière condensée et les approches numériques correspondantes. Il/elle devra également porter un intérêt particulier à la compréhension des techniques expérimentales attenantes.

Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés en plein essor présentant un large panel de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production d’énergie décarbonnées et pour l’optoélectronique. En effet, l’insertion d’azote dans le réseau cristallin d’un oxyde semi-conducteur permet de moduler la valeur de sa bande interdite et ainsi d’obtenir de nouvelles fonctionnalités. La production de films minces monocristallins correspondants, est un défi important. Dans ce travail de thèse, des oxydes monocristallins dopés N seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. Le BaTiO3 fournira la ferroélectricité et un spectre d’absorption favorable, tandis qu’une ferrite ferrimagnétique additionnelle donnera un caractère (opto)multiferroïque artificiel. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques, leurs couplages magnétoélectriques et optoélectroniques et leurs performances en photo-électrolyse pour la décomposition de l’eau, en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.



Le (la) candidat(e) abordera l’ensemble des techniques d’ultra-vide, la croissance par épitaxie par jets moléculaires, des mesures de magnétométrie et de photo-électrolyse de l’eau, ainsi qu’un large panel de méthodes de caractérisations basées sur l’exploitation des centres rayonnement synchrotron les plus avancés.

La découverte de la supraconductivité à haute température critique dans les cuprates [1] a motivé l'étude d'oxydes ayant une structure cristalline et/ou des propriétés électroniques similaires afin de comprendre les origines de cette supraconductivité non conventionnelle. Les exemples iso-structuraux incluent le ruthénate supraconducteur Sr2RuO4 ou l'iridate Sr2IrO4 dopé en électrons, même si un état de résistance nulle n'a pas encore été observé dans ce dernier composé [2]. Récemment, la supraconductivité dans la phase infinie du nickélate Nd0.8Sr0.2NiO2 [3] a également été observée en utilisant une réaction de chimie douce (réduction topotactique) de la phase pérovskite précurseur Nd0.8Sr0.2NiO3. La découverte de cette phase supraconductrice (autour de 10-15 Kelvin) devrait permettre de mieux comprendre les mécanismes mis en jeu dans les supraconducteurs à haute température critique.



Au cours de cette thèse, l’étudiant(e) réalisera l’élaboration de céramiques NdNiO3 pures et substituées (Nd/Sr) ainsi que la croissance cristalline de films minces de NdNiO3 sur différents substrats monocristallins (SrTiO3, LaAlO3, etc) par la technique de l’ablation laser pulsée. Une fois réalisés, l’étudiant(e) testera les traitements de réduction permettant la formation de la phase infinie Nd0.8Sr0.2NiO2. Une attention toute particulière sera accordée aux propriétés structurales et physiques des monocristaux et des couches minces d’oxydes en utilisant in situ la diffraction d’électrons (RHEED), la spectroscopie de photoémission X (XPS/UPS) ou des techniques ex situ telles que la microscopie en champ proche (AFM), le magnétisme (SQUID, VSM). Les propriétés électroniques des échantillons seront ensuite étudiées en fonction de la température (résistivité, coefficient de Hall, caractéristiques courant-tension) afin d'analyser le comportement supraconducteur.



[1] J. G. Bednorz and K. A. Müller, Z. Phys. B 64, 189 (1986).

[2] Y.J. Yan et al., Phys. Rev. X. 5, 041018 (2015).

[3] D. Li et al. Nature. 572, 624 (2019).

L’hydrogène est un excellent vecteur d’énergie à haute densité énergétique massique, de plus c’est un élément essentiel pour convertir le CO2 excédentaire en carburant. Il peut être fabriqué de manière décarbonnée par photo-électrolyse de l’eau en utilisant l’énergie solaire. Les photo-anodes les plus pertinentes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, la majorité des oxydes ont des gaps trop grands pour absorber efficacement le spectre solaire.

Dans la thèse expérimentale proposée, nous proposons de réaliser une nouvelle classe de matériau : des photoélectrodes à base d’oxynitrure. L’ajout d’azote dans la maille d’oxyde est de nature à permettre une réduction du gap pour le faire tendre vers la valeur idéale pour l’absorption du spectre solaire, mais pour des taux de dopage élevés il induit un déséquilibre des charges qu’il est nécessaire de compenser par l’ajout d’un élément chimique supplémentaire dans la maille. Pour cette étude, nous étudierons des échantillons modèles préparés par épitaxie par jets moléculaires assistée par plasma d’oxygène atomique et d’azote atomique. Le but de cette étude est de déterminer, d'un point de vue fondamental, le rôle du taux d’azote et des éléments chimiques de compensation dans différents oxydes (TiO2, BaTiO3…), leur influence sur la structure électronique, sur l'absorption du spectre solaire et sur le photo-courant, mais aussi les changements de la structure cristallographiques. Cette thèse vise la réalisation et l’étude d’une nouvelle classe de photoélectrodes susceptible d’améliorer considérablement les procédés de production d’hydrogène.

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)

Le but de la thèse proposée est de développer un code général et efficace pour étudier théoriquement le transport électronique dans des systèmes bidimensionnels (2D) comme le graphène et plus particulièrement, les matériaux 2D magnétiques découverts récemment [1] tels que CrI3, Fe3GeTe2, etc. Il s’agit ici d’un sujet de très grand intérêt d’un point de vue fondamental, mais également pour des applications technologiques. Le code s'appuiera sur un modèle réaliste de liaisons fortes à plusieurs orbitales ou les paramètres nécessaires 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. Plusieurs approches de transport quantique basées sur des fonctions de Green hors équilibre, de la diffusion des fonctions d'ondes, ou encore une méthode directe d'évolution temporelle de paquets d'ondes électroniques vont être explorées et implémentées dans le code. Il permettra d’étudier divers phénomènes intéressants tels que l'effet de champ magnétique, des potentiels (grilles) temporels, des impuretés ou des vibrations atomiques (phonons) sur la dynamique des électrons de différents spins dans le cadre d'une approche précise basée sur la mécanique quantique.



[1] M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo, K. S. Novoselov, Magnetic 2D materials and heterostructures, Nature Nanotechnology14, 408 (2019)

[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)

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.

Thèse expérimentale en Science des énergies renouvelables (récupération de la chaleur perdue). Etude, développment et caractérisation de supercondensateurs à liquide ionique, dont les électrodes sont constituées de carbone nanostructurées (VACNT : vertically aligned carbon nanotube).



Domaines d'étude: Physique, Science des matériaux, Physique des fluides, Chimie physique.

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.

Les progrès des technologies optoélectroniques nécessitent le contrôle indépendant de la propagation de la phase et de l’énergie lumineuse. Ceci est possible grâce aux métamatériaux hyperboliques, un cas extrême d’anisotropie optique.



Les systèmes moléculaires auto-organisés offrent un moyen de réaliser de tels milieux, car ils peuvent incorporer divers mésogènes p-conjugués axiaux susceptibles de former des structures très fortement anisotropes.



Notre objectif est de développer un tel système incorporant des entités fluorescentes afin de combiner une dispersion hyperbolique avec une émission de lumière ou un gain optique. Au-delà de la compensation des pertes intrinsèques aux métamatériaux, nous visons la réalisation de dispositifs électroluminescents innovants associant la source dans le métamatériau lui même, là où la plupart des réalisations actuelles impliquent des combinaisons complexes à l’échelle nanométrique de différents milieux émissifs et biréfringents.



Les travaux de thèse comprendront les caractérisations structurales et optiques des matériaux obtenus, l'analyse de leurs propriétés de métamatériaux hyperboliques, et leur intégration dans des composants optiques modèles. La conception, synthèse et caractérisation chimique des matériaux sera effectuée par un autre laboratoire dans le cadre d'une collaboration.

Nous concevons et fabriquons des circuits supraconducteurs dont le comportement est déterminé par les lois de la mécanique quantique. Pour un stage avant la thèse, nous proposons de réaliser des expériences visant à la manipulation cohérente du spin d’une quasiparticule unique.



Dans la pratique, nous utilisons des nanofils semiconducteurs couverts d’une coque supraconductrice. Cette coque est retirée sur une petite section du fil, ce qui se traduit par un spectre discret d’états quantiques dans la section découverte. Nous avons récemment montré que, du fait de l’interaction spin-orbite dans le semiconducteur, ce spectre présente une structure fine analogue à celle du spectre des atomes [1]. Pendant le stage, la manipulation quantique du spin d’une quasiparticule unique sera réalisée en utilisant les techniques de l’électrodynamique quantique en circuits. Ces expériences donneront accès au temps de vie et au temps de cohérence des états.



Nous prévoyons aussi de tester la prédiction récente d’une transition de phase sous champ magnétique dans les nanofils couverts d’une coque supraconductrice [2]. Une phase topologique comportant des fermions de Majorana devrait être accessible, et révélée par la spectroscopie du circuit.



Nous cherchons une étudiante ou un étudiant fortement motivé ayant une bonne compréhension de la mécanique quantique. Elle/Il sera intégrée dans un groupe de recherche très actif en électronique quantique, et se familiarisera avec des concepts avancés de mécanique quantique et de supraconductivité. Il/Elle apprendra aussi plusieurs techniques expériementales: les mesures à basse température, bas bruit, dans le domaine des micro-ondes, ainsi que la nanofabrication.



[1] L. Tosi et al., “Spin-Orbit Splitting of Andreev States Revealed by Microwave Spectroscopy”, Phys. Rev. X 9, 011010 (2019).

[2] R. Lutchyn et al., “Topological superconductivity in full shell proximitized nanowires” arXiv :1809.05512 (2018).

Dans certains états quantique de la matière, le courant peut être transporté par des porteurs de charges ayant une fraction e* de la charge élémentaire. C'est notamment le cas de l'Effet Hall quantique fractionnaire (EHQF), une phase quantique topologique ordonnée, qui se produit pour des systèmes électroniques bidimensionnels à basse température et soumis à un fort champ magnétique perpendiculaire. Quand le nombre de quantum de flux en unité h/e est une fraction du nombre d'électrons, le courant se propage le long des bords de l'échantillon sans dissipation. Les porteurs de charges impliqués dans le transport portent une charge fractionnaire e/3, e/5, e/7, etc., … suivant les conditions. Ces excitations fractionnaires sont prédites obéir à une statistique quantique différente des fermions ou des bosons, mais appelée anyonique. Cependant l’observation de statistique anyonique reste à faire. Nous proposons une méthode originale basée sur la manipulation d’anyons par des micro-ondes comme récemment démontrés par le groupe (Science 2019). L’idée est de réaliser une source d’anyon unique à la demande analogue à la source de lévitons développée par le groupe pour des électrons (Nature 2013, Nature 2014). Combinant 2 sources permettrait de réaliser des interférences quantique à deux anyons et de révéler leur statistique anyonique.

La thèse demandera la mise au point de cette source anyonique pour des anyons de charge e/3 et e/5 basée sur la génération de pulses micro-ondes Lorentziens et sa caractérisation par des mesures de bruit quantique électronique ainsi que par détection de charges uniques



1] A Josephson relation for fractionally charged anyons, M. Kapfer, P. Roulleau, I. Farrer, D. Ritchie and D. C. Glattli ( SCIENCE (2019) https://doi.org/10.1126/science.aau3539 )



[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 and D. C. Glattli, NATURE 502, 659-663 (2013)



[3] Quantum tomography of an electron, T. Jullien, P. Roulleau, B. Roche, A. Cavanna, Y. Jin and D. C. Glattli, Nature 514, 603–607 ( 2014)

Défiant notre intuition classique, l’effet tunnel a fasciné les physiciens pendant des décennies. Très vite après sa découverte, se posa la question de combien de temps passent les particules qui "tunnellent" sous la barrière classiquement interdite. Malgré son conté intuitif, cette question est mal posée du point de vues des observables quantiques, et n’admet donc pas de réponse unique ce donnant lieu a de multiples définitions correspondantes à différentes expériences de pensée.



Suivant un proposition de Büttiker et collaborateurs [1], nous proposons d’étudier expérimentalement cette question du point de vue d’une observable bien définie: en mesurant le spectre des fluctuations temporelles du nombre des particules se trouvant sous la barrière de potentiel classiquement interdite. L’idée consiste à exploiter des gaz bidimensionnels d’électrons ou des barrières de potentiel sont générées en appliquant un champ électrostatique à des grilles couplées capacitivement. Les même grilles peuvent aussi être utilisées pour collecter les charges miroir qui se développent en réponse aux fluctuations de densité présentes sous la barrière de potentiel et qui sont générées par les électrons qui "tunnellent". Malgré la simplicité conceptuelle, implémenter cette expérience suppose un défi technique, car cela demande de mesurer un petit signal radiofréquence émis par une source de très haute impédance de sortie dans un environnement cryogénique (sub-Kelvin). Afin de répondre à ce défi, nous nous appuierons sur l’expertise du groupe dans le design microondes, ainsi que dans les techniques de mesures RF de très bas bruit dans des environnements cryogéniques, notamment en implémentant des techniques récemment développées pour s’adapter à des hautes impédances [2] nous permettant ainsi de collecter efficacement le signal dans une chaine de détection RF.



Dans un deuxième temps, nous proposons de conduire des expériences similaires dans des conditions expérimentales où l’interaction électron-électron modifie fortement le transport à travers la barrière de potentiel. Notamment, une transition de phase quantique métal/isolant est pilotée par cette interaction lorsqu’un fil 1D présente une impureté, donnant lieu à une dynamique de liquide quantique fortement corrélé [3] (Liquide de Tomonaga-Lutinger). Des études théoriques récentes [4] ont mis en avant que le temps de résidence sous la barrière joue un rôle proéminent dans cette physique, nous souhaitons donc tester ces prédictions pendant la deuxième partie de la thèse.



L’étudiant participera au design microonde des échantillons, à leur fabrication en salle blanche, ainsi qu’à leur mesure en exploitant des techniques de mesure ultra bas bruit dans le proche DC et dans les radiofréquences. Il apprendra aussi les techniques cryogéniques sub-Kelvin en travaillant notamment avec un réfrigérateur à dilution.



Références :

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

[2] Rolland et al., https://arxiv.org/abs/1810.06217

[3] Anthore et al., Phys. Rev. X 8, 031075 (2018)

[4] Altimiras, Portier and Joyez, Phys. Rev. X 6, 031002 (2016)

Les gaz à effet de serre produits par l’activité humaine influencent le climat de la Terre. Pour comprendre et prédire cette influence, la communauté scientifique utilise entre autre des simulations numériques du système climatique. Ce dernier est multi-composant, et implique une gamme pharaonique d’échelles : par exemple, la simulation de l’athmosphère (une des composantes du climat) requière en principe la prise en compte de toutes les echelles entre celle des ouragans (100 km) et celles à laquelle l’énergie est dissipée (0.1 mm), soit une gamme d’échelle de 1011. Cette gamme d’échelle est inaccessible aux plus grands ordinateurs existant actuellement, qui n’ont ni assez de mémoire, ni assez de CPU pour traiter un tel nombre de degré de libertés.La solution actuelle adoptée par les climatologues est d’introduire des « modèles de turbulence », grâce auquels l’influence des petites échelles est paramétrisée via des loi empirique, au prix de l’introduction de paramètres ajustables. Ainsi, un modèle de climat moderne en comporte plus de 100. L’ajustement de ces paramètres empiriques est alors un enjeu majeur, qui n’est pas encore résolu. De plus, ces modèles ne reproduisent pas les fluctuations extrêmes observées à très petite échelles, et peinent donc à reproduire des événements intenses comme les clyclones tropicaux.



Dans cette thèse, nous proposons une nouvelle approche, qui consiste à considérer toute la gamme des échelles, mais en raréfiant le nombre d’échelles prises en compte au fur et à mesure que l’on descend en taille. Le modèle correspondant est sans paramètre ajustable, et peut etre simulé sur un ordinateur portable. Dans un premier temps, on testera le modèle sur des cas de référence de la turbulence (2D, 3D, Boussinesq), en étudiant notamment la capacité du modèle à reproduire la statistique des événements extrêmes de vorticité et de dissipation. Dans un deuxième temps, ce modèle sera couplé à un modèle simplifié de l'atmosphère, par exemple en utilisant le code DYNAMICO developpé à l'IPSL, ce qui permettra de valider l'intérêt de cette approche pour étudier l'impact du changement climatique sur les évenements extrêmes.