La turbulence s'observe presque partout, du mouvement atmosphérique au déplacement de véhicules et au transport de fluides industriels, et elle reste un sujet intense de recherche fondamentale. En effet, étant hautement non linéaire, les écoulements turbulents ne sont pas entièrement prévisibles en théorie. En outre, ces non-linéarités engendrent de nombreuses échelles de longueur et de temps qui ne permettent pas d'accéder à la complexité de l'écoulement sur une longue période avec les simulations numériques directes. Dans la plupart des cas, les études numériques des écoulements turbulents nécessitent un certain niveau de modélisation avec des paramétrisations ad hoc. C'est pourquoi les expériences restent un élément fondamental pour étudier les turbulences.



Parmi les quantités clés qui méritent une étude intensive dans les écoulements turbulents, on trouve les gradients de vitesse car ils sont impliqués dans les processus dissipatifs, les contraintes de cisaillement et les couches limites. Ils sont en jeu dans divers phénomènes : les interactions structures-écoulement, le transfert d'énergie dans les fluides et les échanges atmosphère-océan... . Cela nous a conduit à développer une nouvelle technique de mesure pour sonder la norme des gradients de vitesse dans les écoulements fluides. Cette méthode optique est basée sur la spectroscopie d'ondes diffusées (DWS pour Diffusing Waves Spectroscopy). Selon l'arrangement optique, nous pouvons mesurer avec cette méthode les gradients de vitesse locaux près d'une surface et nous pouvons en obtenir une carte résolue en temps et en espace. Une estimation globale de l'ensemble de la dissipation est également possible.



Jusqu'à présent, nous avons qualifié cette technique sur des écoulements bien connus. L'objectif de cette thèse de doctorat est d'appliquer la DWS sur des écoulements où elle pourra résoudre des problèmes physiques encore ouvert. Parmi ceux-ci, on trouve l'écoulement en surface libre en présence d'ondes de surface gravito-capillaires. Le comportement des couches limites associée a ces vagues est toujours mystérieux, surtout à la limite de viscosité nulle. Ces couches limites jouent pourtant un grand rôle dans la modélisation des interactions entre les ondes de surface et les courants sous-jacents. Elles doivent avoir un fort impact sur l'échange d'énergie entre l'atmosphère et l'océan, qui est un point clé de la modélisation du climat. Expérimentalement, il est difficile d'estimer les gradients de vitesse juste en dessous d'une interface en mouvement. La DWS a la possibilité de sonder cette couche limite de manière non intrusive dans le cadre d'une expérience en laboratoire. Cette technique ouvre également une voie expérimentale pour caractériser l'impact crucial de la contamination de la surface sur le transfert de moment à cette interface. Une autre voie de développement prometteuse consiste à appliquer la DWS à des écoulements totalement turbulents. Par exemple, afin de mieux comprendre la cascade d'énergie entre la grande échelle d'injection à les petites échelles dissipatives, nous aimerions vérifier la réponse de dissipation à une perturbation de l'énergie injectée. La DWS pourrait fournir un moyen unique pour mesures expérimentales de la dissipation turbulent résolues en temps, conduisant à une caractérisation quantitative de la dynamique temporelle de la cascade d'énergie turbulente.



Nous recherchons des étudiants ayant un fort attrait et des compétences sur divers aspects de la physique expérimentale (hydrodynamique, optique et traitement des données). Néanmoins, l'interprétation des données expérimentales nécessitera également une modélisation théorique et numérique. La thèse de doctorat se déroulera au SPEC, un laboratoire du CEA-Saclay. Basile Gallet et Sébastien Aumaitre encadreront cette thèse. Ils développent tous deux des activités de recherche sur la physique non linéaire principalement appliquée à la dynamique des fluides géophysiques et à la turbulence. Pour une partie d'entre eux, Basile Gallet a reçu le soutien du Conseil européen de la recherche (Flave ERC).

Les matériaux thermoélectriques (TE) capables de convertir la chaleur en électricité sont considérés comme une solution possible pour récupérer la chaleur fatale provenant du flux de déchets industriels, de moteurs, d’appareils électroniques ménagers ou de la chaleur corporelle. Depuis plusieurs années, au sein du laboratoire SPHYNX nous explorons les effets thermoélectriques dans les nanofluides ioniques, où des nanoparticules chargées électriquement servent à la fois de porteurs de chaleur et d'électricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures d'un ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font l'objet d'une attention particulière en tant que futurs matériaux TE peu coûteux et écologiques. Alors que les origines précises des phénomènes thermoélectriques dans ces fluides sont encore débattues, nos résultats expérimentaux indiquent que les natures physico-chimiques d’interface particule-liquide y jouent un rôle décisif.



L'objectif du projet de doctorat est double. Premièrement, nous étudierons les mécanismes thermodynamiques sous-jacents à la production du potentiel thermoélectrique dans les nanofluides par mesures systématiques du coefficient Seebeck et le courant électrique produits. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives étudiées par ailleurs dans le cadre d'actions de collaboration. Deuxièmement, le projet vise à développer des dispositifs de capteurs solaires hybrides de niveau « preuve de concept », capables de co-générer de la chaleur et de l'électricité. Ce dernier fait partie d'un projet en cours, SolTE-Hybrid (financement PALM-Valorisation) qui a démarré en septembre 2020.



Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place d'un système d'acquisition de données automatisé et l'analyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de l'ingénierie (des dispositifs), ainsi que des connaissances pratiques sur la manipulation des dispositifs de laboratoire sont souhaitées. Des connaissances de base en optique et en électrochimie sont un plus mais pas obligatoires. Pour les étudiants motivés, des simulations numériques utilisant des logiciels CFD commerciaux peuvent également être envisagées.

Contexte : La matière active --composée d’unités convertissant de l'énergie en travail mécanique-- est actuellement un domaine de la physique statistique en pleine croissance, avec de nombreuses connexions en biologie. Même si les connaissances progressent rapidement, la compréhension théorique fine des résultats expérimentaux reste souvent assez superficielle.



Travail envisagé : Nous avons récemment développé des modèles de micronageurs en interaction simples, versatiles, et numériquement efficaces dont nous avons montré qu’ils peuvent décrire quantitativement des expériences réalisées sur des colonies de bactéries [PNAS 116, 777 (2019)]. Ces modèles traitent les interactions de champ court entre micronageurs de manière effective. Pour rendre cette modélisation par les données plus performante, nous projetons d’utiliser des méthodes AI/ML à la fois pour apprendre, à partir de données expérimentales respectivement locales et globales, les interactions effectives locales et les jeux de paramètres optimaux du modèle. Une deuxième étape consistera à dériver des théories continues à partir des modèles particulaires (méthodes de type théorie cinétique), et de les « recaler » sur les données, si possible par apprentissage des coefficients de transport.



Résultats attendus : jumeaux numériques efficaces de fluides bactériens denses, théories quantitatives dérivées des données pour ces systèmes. Méthodologie innovante pour la modélisation quantitative des suspensions actives et des matériaux actifs biomimétiques.

On sait depuis Lorentz que les mouvements des fluides, notamment l’atmosphère et l’océan est chaotique : dans l’espace des phases, deux points initialement proches, s’écartent exponentiellement, permettant ainsi de produire le fameux effet papillon. Ce qu’on sait moins, c’est que ces mêmes fluides sont victimes d’un phénomène encore plus violent appelé "stochasticité spontanée", au cours duquel deux points de l’espace physique se séparent algébriquement de façon indépendante de leur distance initiale. Les mathématiciens suspectent que ce phénomène, observé dans des simulations numériques, est créé par l’existence de singularités dans les équations du mouvement, brisant ainsi l’unicité des solutions. Par contre, il n’existe à ce jour aucune démonstration expérimentale de ce phénomène, ni de preuve de son lien avec des singularités ou quasi-singularités.



Le but de cette thèse est de combler ces lacunes en utilisant une nouvelle expérience appelée GVK. Cette expérience a été spécialement conçue pour explorer la dynamique de particules et des mouvements turbulents, avec une résolution jamais atteinte jusqu’à présente. Au cours de cette thèse, on effectuera des mesures expérimentales à l’aide de dispositif d’imagerie vélocimétrique, et on analysera les données pour mettre en évidence le phénomène, et ses liens possibles avec des quasi-singularités.



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 (2016) 12466).

Cette thèse fait partie d'un projet de recherche visant à utiliser les impuretés piégées dans les solides sous forme de bits quantiques intégrés dans des processeurs quantiques supraconducteurs en tant que mémoire de très haute-fidélité.



Les défauts cristallins du silicium et du diamant peuvent être appréhendés comme des ions naturellement piégés dans un environnement cristallin inerte proche du vide. Du fait de leur immobilité et de leur isolement dans le réseau cristallin, les spins électroniques et nucléaires de ces ions présentent d'excellents temps de cohérence, allant de quelques secondes pour les électrons à quelques heures pour les noyaux. Ces systèmes sont donc d'excellents candidats pour le codage d'informations quantiques. D'autre part, les circuits supraconducteurs constituent l'une des plateformes technologiques les plus performantes pour le calcul quantique. Les bits quantiques sont codés dans des oscillateurs électromagnétiques artificiels, ils sont facilement contrôlables et intégrables. Cependant leur temps de cohérence n'excède pas quelques centaines de microsecondes et leur fabrication n'est pas suffisamment reproductible, c'est l'une des principales barrières au développement de processeurs de plus de 100 qubits.



Notre groupe, pionnier des circuits supraconducteurs, est engagé dans un projet de recherche à long terme qui vise à interfacer les circuits avec le spin électronique et nucléaire d'un défaut cristallin unique pour allier la robustesse des éléments naturels à l'intégrabilité des circuits artificiels. Le stage est basé sur les résultats récents de notre équipe. Pour la première fois, nous avons démontré la détection d'un petit ensemble de spin (100-1000 spins) avec un détecteur de photons hyperfréquence basé sur un processeur de qubit supraconducteur. Notre nouveau type de détecteur de micro-ondes nous a permis d'atteindre une sensibilité sans précédent dépassant la limite quantique standard et a ouvert la voie à la détection et au contrôle des spins individuels pour l'intégration de l'informatique quantique.



L'objectif sera dans un premier temps d'optimiser le couplage entre le circuit et un spin unique piégé dans le réseau silicium et dans un second temps de détecter avec succès l'unique photon hyperfréquence généré par la désexcitation du spin électronique. Ce photon unique sera capturé et détecté sur la base d'un qubit supraconducteur de type transmon, élément clé du processeur quantique supraconducteur, jetant ainsi les bases de cette nouvelle architecture.

Historiquement, l’expérience d’interférométrie de type "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 N_0 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 interféromètre de Mach Zehnder avec une visibilité record de 80% [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 thèse 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, soumis (https://arxiv.org/abs/2011.04958(2020))

Bien que le calcul neuromorphique contribue grandement au développement de l’intelligence artificielle, les implémentations matérielles de réseaux de neurones sont encore peu nombreuses. En particulier, il est difficile de réaliser de tels réseaux avec un très grand nombre d’interconnexions entre neurones physiques, pourtant nécessaires pour atteindre les performances promises par ce type d’architecture. Dans cette thèse, nous nous proposons d’explorer une voie originale qui pourrait résoudre à terme ce problème d’hyperconnectivité. Dans les microstructures magnétiques, les modes propres d'excitation (ondes de spin) sont couplés entre eux via des interactions non linéaires. L’idée est d’utiliser ce système dynamique fortement non linéaire pour accomplir des tâches de calcul neuromorphique. Les modes d’ondes de spin, définis dans l’espace réciproque, jouent le rôle de neurones, tandis que leurs interactions non-linéaires, dont l’amplitude est contrôlée par la population dans chaque mode, jouent le rôle de synapses. En étudiant expérimentalement les mécanismes de redistribution de l’énergie entre ondes de spin dans des microstructures ferromagnétiques sous différents régimes d’excitation, et en s’appuyant sur des simulations micromagnétiques de la dynamique de l’aimantation, l’objectif de cette thèse sera d’identifier des configurations permettant une implémentation hardware efficace pour effectuer du calcul neuromorphique, qui serait utile entre autres pour le traitement des signaux de télécommunications.

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’optoelectronique. En effet, l'insertion d'azote dans le réseau cristallin d'un oxyde semiconducteur permet en principe 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, éventuellement dopée N, donnera un caractère (opto)multiferroique artificiel. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques ainsi que leurs couplages magnétoélectriques et optoélectroniques en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.



Le (la) candidate 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.

Les objectifs de cette thèse sont l'étude des objets topologiques antiferromagnétiques dans des matériaux multiferroïques magnéto-électriques. Ces textures ferroélectriques/antiferromagnétiques peuvent être assez difficiles à observer, en particulier à cause de leur taille inférieure à 100 nm. La génération de seconde harmonique, approche d’optique non linéaire, s'est avérée être un moyen puissant et élégant d'imager des textures multiferroïques complexes. Ce travail de doctorat sera centré sur l'utilisation de techniques d'optique non linéaire en champ proche pour étudier les mécanismes intrinsèques de la génération et de la manipulation de véritables skyrmions antiferromagnétiques.

Le sujet de thèse est une étude expérimentale de la chimie et de la structure électronique d’interface de capacitances BaSrTiO3 ferroélectriques pour les applications 5G et NFC dans le cadre d’un projet ANR. Profitant d’une méthode de préparation unique, la PLD combinatoire disponible au laboratoire GREMAN à Tours, l’étudiant réalisera la cartographie à haute résolution de l’alignement des bandes aux interfaces de ces capacitances prototypes ajustables par tension électrique (varactors). Les résultats seront comparés avec des calculs ab-initio basés sur la DFT effectués dans le laboratoire partenaire CEMES à Toulouse. Enfin, des échantillons choisis seront étudiés par des expériences operando de spectroscopie des photoélectrons avec les rayons X durs (HAXPES) pour décrire la réponse de la structure électronique telle que la hauteur de la barrière de Schottky, sous bias électrique dans des conditions réelles de fonctionnement. Un niveau important de mobilité est requis pour des visites de travail aux laboratoires partenaires (GREMAN-Tours, ST Microelectronics Tours et CEMES-Toulouse) ainsi que la participation actives dans les campagnes de mesures auprès des centres de rayonnement synchrotron.

Dans le but de caractériser les propriétés magnétiques à l’échelle locale de matériaux magnétiques comme des aciers, des nanoparticules ou des roches magnétiques, un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif a été développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes. Ce microscope combine un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique intégré dans un bras de levier AFM. Les capteurs magnétiques utilisés sont des capteurs à magnétorésistance (MR) géante et tunnel, basés sur l’électronique de spin et pouvant détecter des champs magnétiques de l’ordre du nT/vHz. L’AFM permet un contrôle de la hauteur de la pointe et son déplacement, tandis que le capteur MR intégré dans la pointe AFM mesure le champ magnétique à chaque position sur l’échantillon.



Cet outil innovant a été jusqu’ici appliqué à la nanométrologie des champs magnétiques statiques à l’échelle locale. Durant cette thèse le but est d’investiguer d’autres applications possibles en utilisant notamment une propriété spécifique des capteurs MR : leur large gamme de fréquence en détection allant du DC à plusieurs centaines de MHz voire le GHz. Ainsi les propriétés de susceptibilité magnétique de nanoparticules magnétiques uniques pourront être étudiées, notamment dans le cadre de l’utilisation des nanoparticules dans les applications biomédicales par exemple (biopuces, tests bandelette…). Une deuxième application visée est la magnonique ou l’utilisation des ondes de spin (plutôt que des charges) afin de transporter et traiter l’information avec un minimum de pertes d’énergie. Les capteurs MR sont en effet de très bons candidats pour être des détecteurs miniaturisables de ces ondes de spins et permettent leur cartographie.



Dans le cadre de cette thèse, des développements seront nécessaires afin d’optimiser la réponse des capteurs en fonction de l’application visée. Les performances des capteurs seront étudiées en termes de magnétorésistance et de bruit lorsqu’ils sont intégrés dans les bras de levier flexibles. La thèse comportera un aspect microfabrication en salle blanche et un aspect mesures de magnétotransport et de bruit, qui sera réalisé dans la chambre magnétique blindée de la plateforme Ultra Bas Bruit. Le microscope et l’électronique de détection du capteur devront être eux aussi adaptés aux mesures à haute fréquence afin d’exploiter le potentiel du microscope pour des applications innovantes.

Le sujet de thèse porte sur l’étude de photo-anodes nanostructurées d’hématite, activées catalytiquement par une couche « catalyseur » déposée en surface (M-OOH, avec M = Fe, Ni, Co, Cu, Zn) pour une production plus efficace d'hydrogène par photo-électrolyse de l’eau.



Par ce sujet, nous proposons d’optimiser le processus de photo-électrolyse de l’eau qui s’inscrit dans une démarche plus qui n’oppose pas les sources énergies, mais propose un mix énergétique pour la réussite d’une économie circulaire basée sur des technologies « bas carbone ». Ainsi l’utilisation des matériaux abondants, la production, la régénération des dispositifs, seront au cœur de l’étude.



Les nanofils d’hématite seront déposées par voie chimique dans une solution aqueuse, une technique de dépôt versatile et adaptée à une production à grande échelle. Le doctorant sera responsable de plusieurs aspects du projet: (1) la mesure de l’efficacité des photo-anodes activées catalytiquement, (2) l’étude de leur stabilité dans le temps, (3) la régénération des photo-anodes dans une démarche de recyclage « actif ». A cet égard, le candidat aura l'opportunité d’utiliser diverses techniques de préparation et de caractérisation: le dépôt des photo-anodes par voie chimique, la réalisation des électrodes de travail en carbone vitreux, la caractérisation photo-électrochimique, la microscopie en champ proche (AFM), microscopie en transmission des rayons X (STXM). L'étudiant en thèse bénéficiera d'une collaboration continue entre IRAMIS / SPEC et le Synchrotron SOLEIL, ligne de lumière HERMES.

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

Les courants de spin purs jouent un rôle majeur dans la spintronique moderne. Maîtriser leur transport à des échelles de temps ultracourtes (sub-picoseconde) représente une des briques fondamentales pour étendre les concepts de la spintronique au domaine terahertz. L’objectif principal de cette thèse est l’étude du transport ultrarapide de l’information de spin à travers des isolants antiferromagnétiques (AF). Ces matériaux suscitent désormais un intérêt considérable, principalement en raison de leurs capacités ultrarapides. Nous proposons ici d’explorer les différentes caractéristiques du transport terahertz courant de spin pur dans les antiferromagnétiques en utilisant des techniques d’optique résolues en temps (magnéto-optique et seconde harmonique génération) et de spectroscopie teraHertz.

Le groupe Quantronique mène des recherches en physique fondamentale des solides à très basse température, et notamment en électronique quantique. L’un des objectifs actuels de notre équipe est d’élucider le dernier ingrédient manquant de la supraconductivité mésoscopique: la jonction à saut de phase quantique.



Une jonction à saut de phase quantique (QPSJ) constituée d’un fil supraconducteur désordonné très mince devrait se comporter comme un condensateur non dissipatif non linéaire et constituer un dual quantique de la jonction Josephson bien connue et largement utilisée. La disponibilité de QPSJ ouvrirait un large éventail de nouvelles possibilités pour l’ingénierie des circuits quantiques.



En fabriquant des résonateurs à nanofils afin de réaliser des QPSJ, nous avons mis en évidence un fort couplage du résonateur aux systèmes à deux niveaux chargés environnants, un ordre de grandeur plus grand que ce qui est attendu d’un couplage dipôle / champ électrique standard. Nous avons montré que ce phénomène est présent dans plusieurs supraconducteurs qui ont en commun leur forte inductance (et un fort désordre). Nous avons récemment proposé [leSueur18] un nouveau mécanisme universel pour expliquer ce couplage fort, à travers les fluctuations mésoscopiques de l’inductance cinétique. L’objectif général de la thèse détaillée ci-dessous est de caractériser complétement ce mécanisme.

Lors de cette thèse nous souhaitons mieux comprendre l'interaction entre deux éléments clés de l'électrodynamique des circuits électriques: un contact ponctuel quantique QPC, implémentant un canal de conduction électronique de transmission ajustable, et un mode du champ électromagnétique.



Même si on peut les considérer comme étant les briques de bases des circuits quantiquement cohérents, leur interaction est mal connue. Lors de cette thèse, nous souhaitons tester des prédictions théoriques qui prédisent que les fortes contraintes imposées au transport de charge par le QPC font en sorte que la radiation émise dans le mode hérite des propriétés d'anti-groupement imposées aux électrons par le principe de Pauli.

Pour plus de détails, voir le résumé en anglais.