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.

Au-delà de l’exaltation de processus photophysiques (diffusion Raman, conversion de fréquence, fluorescence …), il a récemment été démontré que les nanoparticules (NP) plasmoniques optiquement excitées pouvaient aussi être mises à profit pour activer des transformations chimiques directement et très localement sur leurs surfaces. Ceci ouvre de nombreuses opportunités dans le domaine de la synthèse chimique sélective, la fabrication contrôlée de nanostructures hybrides, la photothérapie, la photocatalyse ... L'identification des paramètres permettant de contrôler ces réactions chimiques induites par plasmons focalise actuellement l'attention d'une large communauté. La difficulté est de faire la part des choses entre les différents phénomènes physiques susceptibles d’avoir lieu i.e., (1) l'échauffement localisé résultant de la thermalisation (interaction électrons-phonons) des électrons chauds générés en excitant une NP à sa résonance ou, (2) les effets de transfert de charge direct entre électrons chauds et molécules placées à proximité.

La thèse a pour but d'étudier les mécanismes de transfert d’électrons chauds entre une particule métallique excitée à résonance plasmon et un adsorbat moléculaire placé à proximité, en absence de solvant (voie sèche) suite à une excitation multiphotonique. Pour cela, nous tirerons parti de l’utilisation conjointe de moyens de caractérisation complémentaires mis en œuvre et maitrisés au CEA / SPEC-LEPO : la microscopie de luminescence à 2 photons (TPL) qui a récemment fait l’objet de développements importants au laboratoire et la microscopie de photoémission d’électrons (PEEM) dont le LEPO est un spécialiste.

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, dû a 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 ce stage, nous proposons l'étude expérimentale des propriétés thermoélectriques de fluides complexes (e.g., liquides ioniques, ferrofluides (solutions colloïdales de nanoparticules magnétiques) 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.

Les écoulements des liquides soumis à une sollicitation ont toujours été un sujet d'étonnement et de fascination, par la diversité des effets observés. Un écoulement simple à faible sollicitation se complique progressivement quand la vitesse augmente, passe par plusieurs transitions avant d'atteindre un état turbulent.



Grâce aux nouvelles techniques d'imagerie rapide et de contrôle de faisceaux laser, il semble désormais possible d'établir de façon "instantanée" des champs des 3 composantes de la vitesse dans l'ensemble du volume d'un écoulement au-delà de la déstabilisation de l'écoulement laminaire. Nous avons déjà réalisé des mesures en volume de 2 composantes de la vitesse, mais même pour l'écoulement de base, la reconstruction d'un champ de vitesses à partir de ces données a été impossible. Des expériences préliminaires ont laissé espérer la possibilité par stéréoscopie de détecter également la troisième composante de la vitesse. Le travail expérimental consistera en un premier temps à regrouper ces éléments techniques en un montage opérationnel puis étudier la large gamme des écoulements perturbés.

Les états d’équilibre d’un système classique à courte portée maximisent l’entropie thermodynamique et sont indépendant de l’ensemble considéré : ils sont les mêmes si on fixe l’énergie (ensemble micro-canonique) ou la température (ensemble canonique). Dans un système avec interactions à longue portée, les états d’équilibre ne sont plus universels, et peuvent dépendre de la façon dont on fixe les variables thermodynamiques qui décrivent le système. Ce phénomène, appelé « inéquivalence d’ensemble », est maintenant bien compris et relié aux propriétés de concavité de l’entropie.

De façon surprenante, il semble exister un phénomène similaire pour les états stationnaires de certains systèmes hors-équilibre : par exemple, dans un écoulement turbulent tourbillonnaire, il a été prouvé récemment que les états stationnaires observés dans une situation où le moment cinétique est fixé sur les bords, diffèrent des états stationnaires où le flux de moment cinétique est fixé sur ces bords. De la même manière, la façon dont se dissipe l’énergie mécanique n’est pas la même dans un écoulement convectif selon qu’on force avec une température fixée, ou avec un flux fixe. Des signatures semblables sont aussi observées et prédites dans des systèmes thermoélectriques, qui peuvent servir de systèmes modèles. En l’absence de théorie bien établie gouvernant la dynamique des systèmes hors équilibre, il n’existe pas à l’heure actuelle de compréhension de ces deux observations, ni a fortiori de prédiction concernant la généralité de ce phénomène : les états stationnaires d’un système hors équilibre sont-ils universels ou dépendent-il de si on les force à l’aide d’un stock, ou par un flux ’ L’enjeu de cette question n’est pas seulement théorique. Il existe en effet de nombreux systèmes hors équilibre autour de nous dont on aimerait prédire le comportement lors d’un changement de conditions aux limites : par exemple, comment se transformera notre économie lorsque qu’on basculera d’un système où l’énergie est fournie par un stock (énergie fossiles), vers un système où l’énergie est fournie par un flux (énergies renouvelables).

Le but de la thèse est d’apporter des éléments de réponse à ces questions en utilisant notamment des modèles jouets de systèmes hors-équilibres (circuits électriques, modèle ASEP ou ZRP,…). On s’attachera dans un premier temps à comprendre et à formaliser la sélection des états stationnaires, en utilisant notamment des outils récents de systèmes dynamiques et de théorie des systèmes stochastiques. On essaiera dans un deuxième temps d’appliquer ces résultats à deux écoulements de laboratoire étudiés au LIED et au SPEC (cf. Figure), ainsi qu’à un modèle simplifié d’échange économiques sous contrainte énergétique.

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.

La prévision et la compréhension du comportement de systèmes complexes tels que la turbulence, le climat ou les finances reste une tâche difficile. Pour résoudre ce problème, divers outils ont été développés à l'aide de la théorie des systèmes dynamiques, de la mécanique statistique ou des ajustements stochastiques pour les données, tel que le procédé ARMA (Auto Regressive Moving Average). De telles approches sont toutefois limitées par la présence de multiples états métastables, capables de piéger le système dans un état quasi-stationnaire hors-équilibre, ou d'attirer les trajectoires dans l'espace des phases.



Des exemples de tels états métastables bloqués sont par exemple les flux zonaux de la dynamique atmosphérique à mi-latitude, ou encore les crises et la période de croissance en économie ou finances.



À l'heure actuelle, il n'existe pas de théorie générale permettant de prédire la plausibilité, la durée de vie ou la dynamique autour de ces états métastables. Une description améliorée de la dynamique du système des trajectoires en présence d'états métastables a été récemment obtenue en échantillonnant les données temporelles originales en sous-échantillons courts qui obéissent aux processus ARMA de base [voir : 1,2,3]. Dans ces articles, plusieurs indicateurs sont dérivés pour analyser les données. Ils fournissent des informations sur le nombre de degrés de liberté actifs dans les systèmes et la probabilité de sauts vers d'autres états métastables.



L'objectif de cette étude de doctorat est d'aller un peu plus loin et d'utiliser cette méthode pour prévoir le comportement de systèmes complexes. Le candidat construira des générateurs stochastiques de turbulences plausibles, de climat et de domaines financiers, en incluant les propriétés dynamiques sous-jacentes telles que celles dérivées des indicateurs précédents. Il / elle évaluera la qualité des champs générés en comparant les résultats sur des données réelles. Au cours de la thèse, le candidat développera ses compétences en statistique, en physique fondamentale, en dynamique climatique et en finance. Il développera des outils et des modèles numériques avec l'analyse des séries chronologiques.



La thèse requiert une bonne connaissance des processus stochastiques et donc en arrière-plan des compétences en statistiques appliquées et en physique théorique. Le candidat doit maitriser des logiciels d'analyse statistique comme R, Matlab et / ou Python. Il / elle doit avoir un bon niveau de compréhension de la langue anglaise, pour travailler dans un environnement international.



[1] Davide Faranda, Gabriele Messori and Pascal Yiou. Dynamical proxies of North Atlantic predictability and extremes. Accepted for publication in Scientific Reports, 2017.

[2] Guillaume Nevo, Nikki Vercauteren, Amandine Kaiser, Berengere Dubrulle, Davide Faranda. A statistical-mechanical approach to study the hydrodynamic stability of stably stratified atmospheric boundary layer. Submitted, 2017.

[3] Davide Faranda and Dimitri Defrance: A wavelet-based-approach to detect climate change on the coherent and turbulent component of the atmospheric circulation. Earth System Dynamics, 7 517-523, 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.

Grâce à l'électronique de spin, dont les propriétés de transport sont dépendantes du champ magnétique, nous avons fabriqué des capteurs destinés à la mesure de la signature magnétique de la transmission d'information dans les cellules excitables (cellules cardiaques et neurones). Nous avons ainsi détecté le signal magnétique cardiaque avec des capteurs à magnéto-résistance géante (GMR) [Appl. Phys. Lett. 2011].

Afin d'améliorer la rapidité d'acquisition des signaux, il serait très favorable d'augmenter la sensibilité des sondes en utilisant des jonctions tunnel magnétiques (MTJs) dont les magnétorésistances peuvent atteindre 250% à température ambiante (contre 10% pour les GMR).

Dans cette thèse, des dispositifs de mesure pour l’activité neuronale à différentes échelles (proches de quelques neurones à quelques dizaines de milliers mesurés à la surface du crane) seront développés en utilisant notre nouveau bâti de dépôt de couches minces. Les sondes seront fabriquées au laboratoire, testées en chambre magnétique blindée pour connaitre leurs performances intrinsèques, puis utilisées pour des enregistrements in vivo de l’activité neuronale ou du cerveau entier en magnetoencéphalographie (MEG, mesures magnétiques passives à la surface du crane) en collaboration avec Neurospin.

Ces enregistrements magnétiques permettront de faire une représentation multi-échelle des courants neuronaux et d'étudier en particulier les composantes à basses fréquences du signal neuronal (bruit en 1/f) observées en Electro-encéphalographie et en Magnétoencaphélographie.

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. La thèse proposée s’inscrit dans le cadre d’une codirection et repose sur une collaboration équitable entre le CEA et synchrotron SOLEIL (ligne de lumière HERMES). 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.

Les oxydes ferroïques sont des matériaux possédant un ou plusieurs paramètres d’ordre : ferroélectrique, ferroélastique ou magnétique. Ils présentent intrinsèquement des domaines, séparés par des parois qui peuvent avoir des propriétés complétement différentes que celles des domaines. Explorer ces nouvelles propriétés physiques permettrait de considérer la paroi comme l’élément actif de ces matériaux.

Dans un ferroélectrique les parois de domaines chargées apparaissent comme un véritable nouveau paradigme pour une électronique post-CMOS car elles peuvent être comprises comme des conducteurs nanométriques métalliques séparés par des régions diélectriques hautement isolantes. Le travail de thèse s’intéressera particulièrement à comprendre comment ces parois peuvent être contrôlées sous une sollicitation électrique ou mécanique.

L’étudiant utilisera la spectromicroscopie des photoélectrons ainsi que la microscopie d’électrons à basse énergie. Ces techniques permettent d’obtenir des informations chimiques et électroniques de la surface d’un matériau avec une résolution spatiale nanométrique. Les expériences sous contrainte mécanique ou sollicitation seront effectuées grâce à des porte-échantillons dédiés. Les échantillons seront fournis par l’Institut de Chimie Moléculaire et Matériaux d'Orsay. Les expériences seront faites en collaboration avec le UMPhys CNRS/Thalès et l'Institut des nanotechnologies de Lyon.

L’utilisation de l’effet de magnétorésistance géante permet de développer des capteurs magnétiques très sensibles et détectant des champs magnétiques de l’ordre du nT/vHz. Cependant, afin de détecter des objets magnétiques de très petites dimensions et de façon locale, une réduction de la taille des capteurs doit être effectuée. L’utilisation d’outils de nanofabrication comme la lithographie électronique permet de fabriquer des structures actives pouvant atteindre 50 nm. Dans un premier temps, l’effet de la réduction de taille sur les performances des capteurs en termes d’effet de magnétorésistance et de bruit sera étudié.

Ensuite, les capteurs de taille nanométrique développés seront intégrés dans des structures de type pointe AFM (Atomic Force Microscope). Cette intégration permettra de combiner un capteur magnétique nanométrique et un microscope sonde locale à balayage de type AFM afin d’obtenir un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif.

Le but de la thèse est de développer ce microscope magnétique et de le tester, tout d’abord, sur des structures magnétiques comme des parois de domaines. Ensuite d’autres objets magnétiques, biologiques ou des aciers par exemple, pourront être étudiés en bénéficiant de la résolution spatiale du microscope ainsi que de sa sensibilité à basse fréquence.

Enfin, une implémentation possible du microscope sera l’ajout d’un champ magnétique alternatif qui permettra de caractériser de façon originale la susceptibilité de surfaces magnétiques.

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 nano-cristaux métalliques de forme, taille, structure et composition chimique différentes et d’explorer comment ces paramètres modifient leurs propriétés magnétiques. Ces nano-cristaux 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 (par exemple Sr2IrO4, Sr3Ir2O7 ...) ont récemment attiré l'attention en raison de la présence d'un fort couplage spin-orbite et de fortes interactions électroniques qui donnent lieu à des propriétés physiques originales telles que la supraconductivité à haute température critique ou l'état d'isolant topologique. 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, 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). Ensuite, les cristaux seront caractérisés par différentes techniques: diffraction des rayons X, microsonde électronique et mesures magnétiques (SQUID, magnétométrie VSM). Pour les films minces, nous utiliserons une nouvelle technique de croissance sous ultra-vide développée au laboratoire: 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.

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.

Les progrès en science et technologie du magnétisme depuis les années 30 sont essentiellement pilotés par la miniaturisation des dispositifs. Les propriétés physiques des matériaux magnétiques sont en effet extrêmement dépendantes de la taille et la forme des échantillons. Une surface, une couche mince un nanofil ou un agrégat magnétiques ont des caractéristiques magnétiques toutes très différentes et également très éloignées du cristal volumique. La fabrication de couches ultraminces a permis dans les années 80 la découverte des effets de magnétorésistance géante qui ont donné naissance au domaine de la spintronique et ont valu le prix Nobel à ses découvreurs (A. Fert et P. Grunberg). Depuis quelques années une interaction magnétique a attiré l’attention des chercheurs : il s’agit de l’interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) d’interface. Celle-ci est connue depuis longtemps en phase volumique mais son étude dans des couches ultraminces magnétiques déposées sur des substrats non magnétiques est très récente. Elle est à l’origine de structures magnétiques non colinéaires très particulières comme les skyrmions qui sont des objets fascinants que la communauté scientifique espère réussir à « piloter » en vue de fabriquer des dispositifs comme des mémoires. Cependant les mécanismes fondamentaux à l’origine de l’interaction DMI d’interface restent encore très mal connus et la modélisation à l’échelle atomique (calculs de structure électronique) est indispensable. Dans cette thèse nous proposons donc d’utiliser (et de développer) des codes de structure électronique pour calculer l’interaction DMI d’interface sur des systèmes qui seront caractérisés expérimentalement par ailleurs. Le (la) futur(e) doctorant(e) intégrera une équipe de théorie & modélisation possédant une longue expérience dans le domaine de la structure électronique du magnétisme et des propriétés de transport dans les nanostructures.

Depuis la découverte (ou plus exactement l’exfoliation) d’une monocouche de carbone appelée graphène le nombre d’études sur les systèmes bidimensionnels a littéralement explosé. Il a été montré qu’un grand nombre de matériaux peuvent exister sous forme de monocouche, mais cependant dans la plupart des cas la synthèse se fait par dépôt sur un substrat qui engendre des contraintes et créé des défauts ce qui dégrade les propriétés physiques intrinsèques du matériau. Une autre alternative proposée très récemment par les chimistes est de faire croitre des réseaux moléculaires à l’interface liquide-liquide (ou liquide gaz) ce qui permet de s’affranchir du substrat source de perturbation du système. Les réseaux pouvant ensuite être déposés sur un substrat a posteriori. Les propriétés de ces systèmes sont pour le moment largement inconnues et un travail de modélisation est indispensable pour fournir des pistes aux expérimentateurs afin de déterminer les molécules les plus prometteuses. Les premiers calculs effectués semblent montrer l’extrême versatilité de ces réseaux dont les caractéristiques physiques varient fortement en fonction de la structure, la composition chimique la charge etc. Dans cette thèse nous proposons d’effectuer un travail théorique et de modélisation pour élucider les propriétés électroniques magnétiques et de transport de ces réseaux moléculaires bidimensionnels Une forte collaboration avec des équipes expérimentales favorisera la définition des systèmes les plus prometteurs pour les applications potentielles. Le (la) futur(e) doctorant(e) intégrera une équipe de théorie/modélisation possédant une longue expérience dans le domaine de la structure électronique du magnétisme et des propriétés de transport dans les nanostructures.

La propriété fondamentale des matériaux ferroélectriques (FEs) est la polarisation électrique spontanée qui peut être commutée sous application d’un champ électrique externe en dessous de la température de Curie. L’environnement chimique peut également faire basculer l’état ferroélectrique, la pression partielle de l’oxygène détermine par exemple, l’orientation de la polarisation ferroélectrique dans un film mince.

L’objectif est d’étudier et de contrôler ces distorsions atomiques dans la phase tétragonale géante de couches minces de BiFeO3 en épitaxie sur des substrats avec une forte contrainte. La grandeur importante de la polarisation est extrêmement prometteuse pour des applications à condition de pouvoir la commuter de façon réversible. Cependant, l’état de contrainte décale le champ coercitif au-delà du « breakdown ». Le basculement chimique offre alors une voie alternative pour contrôler la polarisation.

La diffraction des photoélectrons combine la sensibilité chimique de la photoémission des niveaux de cœur et la sensibilité à la structure atomique locale autour de l’atome émetteur. Elle est donc idéale pour mesurer les distorsions atomiques en trois dimensions à la surface d’un matériau FE.

Les couches minces seront fournies par National Institute of Materials Physics (Roumanie) et l’UMPhys CNRS/Thalès. Les résultats expérimentaux seront interprétés grâce à des simulations en collaboration avec l’université de Goias (Brésil)

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.

L'un des buts principaux du traitement quantique de l'information est de développer un nouveau type d'ordinateur, l'ordinateur quantique, basé sur des registres de systèmes à deux niveaux d'énergie (bits quantiques ou qubits). L'état quantique de ces registres évoluerait en suivant un algorithme précis qui solutionnerait des problèmes réputés insolubles avec les ordinateurs conventionnels, grâce au parallélisme massif offert par principe de superposition de la mécanique quantique.



Les impuretés de spin dans les matrices cristallines sont des candidats qubit idéaux du fait de leur temps de cohérence quantique naturellement long pouvant dépasser la minute. La grande difficulté non surmontée jusqu'à aujourd'hui est cependant d'arriver à coupler plusieurs de ces spins afin de réaliser des portes logiques quantiques. Cette thèse explorera une idée ambitieuse consistant à coupler chaque spin à un circuit supraconducteur médiant l'interaction entre spins. La première étape consistera à coupler un spin unique au circuit connu sous le nom de "qubit en flux". Ce circuit sera fabriqué directement sur un cristal de diamant enrichi en isotope 12, et contenant un défaut de spin de type centre NV localisé à 10 nm près.

Le but principal à atteindre est de réaliser des opérations quantiques de base où l’information est codée par la présence ou non d’un électron (un qubit volant) se propageant dans un conducteur. Cela demande des sources à un électron pour initialiser le qubit volant, des portes quantiques sous la forme d’interféromètres à un électron, et un détecteur d’électron unique pour observer le résultat final « en un coup ». Pour cette approche « d’optique quantique électronique », les sources d’électrons uniques, analogue électronique de source à photon unique, sont déjà disponibles où les électrons sont injectés sous la forme de l évitons. Les conducteurs quantiques disponibles offrent aussi déjà la possibilité de réaliser les portes quantiques avec des lames semi-transparentes électroniques ou des interféromètres électroniques. Ce projet de thèse propose de réaliser la brique manquante : le détecteur à un électron qui permettra enfin de réaliser des opérations quantiques « en un coup ». Une approche détection de charge ou bolométrique sera envisagée.

Interféromètre à deux électrons dans le graphène.



Le graphène est un candidat particulièrement prometteur comme support pour le traitement de l’information quantique. La réalisation de tout circuit quantique nécessite la validation d'un certain nombre de concepts fondamentaux ou de calculs élémentaires. La génération d’états intriqués dans le graphène est un exemple de calcul quantique élémentaire. Il a été montré qu'une géométrie du type double Mach Zehnder permettait de générer des états intriqués [1,2]. Nous proposons d'adapter cette géométrie au graphène : l’échantillon est composé de quatre jonctions pn. Les électrons sont injectés de contacts indépendants dans deux régions de type n. Ils sont ensuite partitionnés à l’interface entre les régions n et p. La phase accumulée dépend alors de ce coefficient de partitionnement et du flux magnétique à travers le double Mach Zehnder. En variant ce flux magnétique, le bruit de grenaille (ou fluctuations de courant) doit osciller, une signature de l’effet Aharonov-Bohm à deux électrons et de l’intrication orbitale. L’avantage de la géométrie double Mach Zehnder dans le graphène par rapport à une hétérostructure semi-conductrice du type AsGa [2], est qu’elle est extrêmement compacte ce qui devrait permettre de réaliser des opérations plus complexes. Cette expérience mènera à la première démonstration de la violation des inégalités de Bell dans le graphène [1].

Ce projet est un "work package" de mon ERC starting grant obtenue en 2016.



[1] P. Samuelsson et al. , Phys. Rev. Lett. 91, 157002 (2003)

[2] I. Neder et al. , Nature 448, 333 (2007)

Sujet détaillé :

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

• les qubits statiques, couplés à des bus quantiques pour la manipulation et la transmission d’information

• les qubits "volants" qui sont des qubits se propageant dans des circuits quantiques tout en étant manipulés

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

L’un des briques élémentaires nécessaire à la réalisation d’expériences d’optique quantique électronique est la lame séparatrice électronique, qui est l’analogue électronique de la lame séparatrice pour les photons. Cependant, la lame séparatrice électronique habituellement utilisée dans les hétéro-structures semi-conductrices n’existe pas dans le graphène à cause de sa structure de bande sans gap. Nous proposons une percée dans cette direction, en utilisant une jonction pn comme lame séparatrice [1]. Cette jonction pn sera l’élément fondamental d’un nouveau type d’interféromètre de Mach Zehnder. Une étude des propriétés de cohérence quantique du graphène en découlera. Ce sujet de thèse s’inscrit dans le cadre d’un projet financé par l’ERC starting grant COHEGRPAH (2016).





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

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

Une jonction Josephson (jonction tunnel entre deux électrodes supraconductrices) est le seul composant électrique non linéaire et non dissipatif connu à ce jour. Ces deux propriétés le placent au cœur de tous les composants électroniques supraconducteurs, des magnétomètres à SQUIDs au standard du Volt obtenus grâce à des réseaux de jonction Josephson sous illumination micro-ondes, en passant par les circuits supraconducteurs développés récemment pour l’information quantique.



Cette thèse vise à tester la faisabilité et les propriétés d’un autre dipôle supraconducteur non dissipatif dont le principe a été proposé par Mooij et Nazarov il y a presque dix ans : la jonction à saut de phase quantique (Quantum Phase Slip Junction QPSJ en anglais) [1]. Une QPSJ consiste en un mince fil supraconducteur reliant deux électrodes supraconductrices, et sensé se comporter comme l’exact dual (au sens quantique) d’une jonction Josephson : leurs comportements sont identiques, à condition d’échanger le rôle de la différence de phase supraconductrice et de la charge accumulées aux bornes du dipôle. De même qu’une jonction Josephson réalise la superposition cohérente d’états caractérisés par le transfert par effet tunnel de différents nombres de paires de Cooper, une QPSJ réalise la superposition cohérente d’états caractérisés par des écarts de phase entre les deux électrodes différant de multiples de 2p. On peut se représenter cet état comme la superposition cohérente du transfert tunnel de différents sauts de phase au travers du fil. L’implémentation de QPSJs constituerait une percée majeure en électronique supraconductrice. En irradiant un QPSJ par des micro-ondes, on implémenterait une expérience duale de celle de l’effet Josephson AC : au lieu d’établir une relation métrologique entre la seconde et le Volt, on obtiendrait une relation entre l’Ampère et la seconde. De même, les QPSJ seraient la brique de base d’une électronique supraconductrice de très haute impédance, ouvrant d’innombrables possibilités.



Depuis la suggestion de Mooij et Nazarov [1], une poignée d’expériences ont été menées sur les QPSJ confirmant partiellement les prédictions [2,3], mais soulevant plus de questions qu’elles n’ont apporté de réponses. En particulier, la simple modulation périodique de la charge aux bornes d’un fil supraconducteur n’a pas été clairement observée [4]. L’objectif de cette thèse est de réaliser l’expérience proposée par Hriscu et Nazarov [5], dans le but spécifique de tester cette modulation en charge.



[1] Mooij and Nazarov, Nat. Phys. 2, 169 (2006).

[2] Astafiev et al., Nature 484, 355 (2012),

[3] Peltonen et al. Phys. Rev. B 88, 220506(R) (2013)

[4] Hongisto and Zorin, Phys. Rev. Lett. 108, 097001 (2012)

[5] Hriscu and Nazarov, Phys. Rev. Lett. 106, 077004 (2011)

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…).