La spectroscopie d'ondes cohérentes dans un outil puissant pour sonder les propriétés de la matière. Cependant, la propagation des ondes dans les milieux désordonnés est un domaine important de la physique qui n'est pas encore entièrement compris. De nombreux régimes ont été identifiés en fonction de la longueur d'onde et des tailles caractéristiques dans les milieux aléatoires. Dans cette thèse de doctorat, nous proposons d'explorer deux de ces régimes.



À la limite des petites longueurs d'onde par rapport à la distance entre les diffuseurs, elle-même beaucoup plus petite que la taille du système, nous entrons dans le régime multi-diffusif. L'étude de la décohérence de la lumière multi-rétrodiffusée est utilisée pour sonder les milieux turbides. Nous avons développé cette technique, appelée spectroscopie d'ondes diffusantes (DWS), dans notre laboratoire pour étudier les écoulements de fluides turbides et prouvé son efficacité pour sonder la dissipation dans les couches limites. Nous aimerions maintenant utiliser cette technique comme un outil pour étudier la dissipation dans de nombreux cas pertinents en hydrodynamique. Elle semble particulièrement adaptée pour explorer la nature du mécanisme de dissipation dans les écoulements à surface libre. Cela reste une question ouverte dans de nombreuses situations jouant un rôle important dans les écoulements géophysiques. Le problème n'a jamais été exploré expérimentalement en raison du manque de capteurs adéquats. Nous pensons que la DWS pourrait combler cette lacune. Pour aller plus loin, nous voudrions également considérer la décohérence de la lumière transmise, qui donnera accès à la dissipation globale dans l'écoulement. C'est une mesure pertinente surtout dans les écoulements turbulents où les processus dissipatifs sont au cœur des considérations théoriques. Le développement d'un tel dispositif sera le prochain défi technique sur e sujet.



Lorsque la longueur d'onde devient de l'ordre de la longueur caractéristique du désordre, un autre régime se produit : la localisation de l'énergie des ondes à l'intérieur du milieu aléatoire se produit à cause des interférences. Ce phénomène a d'abord été dérivé pour les ondes électroniques en physique du solide. Il est bien établi pour régime linéaire avec des milieux aléatoires décorrélés, mais le rôle de la non-linéarité et des conditions limites mérite des études expérimentales plus poussées. Nous aimerions ici mettre en évidence ces phénomènes avec une onde de flexion dans une plaque élastique mince (~2mX1mX0.5mm) avec des défauts aléatoires de masse ou de déplacement. Dans ce système 2D, la localisation devrait être critique. Cela semble être un système expérimental polyvalent idéal pour sonder le rôle des effets non linéaires et des conditions limites réalistes sur la localisation. Il nous permettra de retracer la localisation sur les fluctuations de la puissance injectée pour générer les ondes.



Nous recherchons des étudiants attirés par des expériences dans de nombreux domaines de la physique (physique non linéaire, mécanique des fluides, optique, ondes mécaniques...)

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.

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.

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.

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.

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.