La gestion thermique des composants des véhicules ou appareils électroniques est nécessaire afin d’une part, d’éviter la surchauffe des éléments émetteurs de chaleur (moteurs, processeurs…) et d’autre part, de récupérer la chaleur pour l’utiliser par ailleurs. Des moyens de transfert de chaleur de plus en plus efficaces (tels que caloducs) sont recherchés. Le caloduc oscillant (Pulsating Heat Pipe, PHP) est un seul tube capillaire sans structure interne, plié en méandre et bouclé sur lui-même. Une des extrémités du méandre est en contact thermique avec un point chaud, l’autre, avec un point froid. Le PHP renferme un fluide diphasique sous la forme d’un train de bouchons liquides séparés par des bulles de vapeur. L’oscillation chaotique des bouchons liquides commence spontanément après le début du chauffage. Les bouchons se déplacent entre les zones chaude et froide engendrant l’échange de chaleur non seulement par la chaleur latente, mais aussi convectif. Cela fait du PHP un système simple et très efficace par rapport aux autres types des caloducs. Cependant, contrairement à eux, son fonctionnement est non-stationnaire (chaotique dans la plupart des cas) et donc plus difficile à comprendre et à modéliser. L’objectif de la thèse est d’une part de comprendre théoriquement l’écoulement hydrodynamique d’une bulle de Taylor en présence d’oscillations et changement de phase, et d’autre, le comportement collectif de l’ensemble des bulles à l’intérieur du capillaire en utilisant des méthodes de la dynamique non-linéaire et en s’appuyant sur le code de calcul CASCO (Code Avancé de Simulation de Caloduc Oscillant) développé au CEA. Cela est indispensable pour maitriser des différents régimes d’oscillations afin de convertir CASCO en un outil de dimensionnement pour des applications industrielles. Le travail sera mené en collaboration avec des groupes expérimentaux dans le cadre de projets nationaux et internationaux.

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



Ce travail a pour objectif d’étudier la physique amont de la production des électrons chauds par un objet métallique de petite taille en lien avec des applications, notamment médicales telles que la thérapie photodynamique ciblée. Il s’agit d’un travail à dominante expérimentale en collaboration étroite avec un partenariat pertinent de physiciens, chimistes, biologistes et oncologues (CEA, CentraleSupélec, ENS Paris Saclay, Paris Hôpital Saint-Louis). Il bénéficiera de l’expérience acquise par le groupe CEA IRAMIS SPEC en microscopie LEEM / PEEM (Low Energy Electron / PhotoEmission Electron Microscopy), dont le principe repose sur le suivi de la distribution des photoélectrons émis en réponse à une résonance plasmon [Douillard 2017, 2012, 2011] et constitue par la même une technique de choix pour ce type d’étude.



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





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



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

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

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



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



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



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



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

Dans les matériaux ferroélectriques ou ferroélastiques, des domaines se forment pour minimiser les contributions électrostatiques et mécaniques à l’énergie libre du système, séparés par des parois de domaines (DWs). DWs rompt la symétrie et démontre des propriétés «étonnantes et très différentes par rapport aux matériaux de volume, dont la conductivité, la supraconductivité et la polarité. En conséquence, elles pourraient constituer un nouveau paradigme pour la nanoélectronique dans lequel la paroi devient l’élément actif du dispositif. Une structure polaire ou conductrice bidimensionnelle et commutable dans un milieu diélectrique ouvrirait une voie vers le stockage d’information à très haute densité et à basse consommation d’énergie. La thèse s’adressera aux parois entre domaines ferroélastiques et ferroélectriques.

Des monocristaux massifs ferroélectriques (BaTiO3), ferroélastiques (CaTiO3) et des films épitaxie ales (BaTiO3, PbTiO3 et CaTiO3) seront étudiés. La microscopie à électrons à basse énergie ou en photoémission sera utilisée pour imager la topographie électrique, la chimie locale et la structure électronique des parois de domaines. Des dispositifs pour l’imagerie des parois en fonction du stress mécanique ou champ électrique seront employés pour des expériences in operando. En collaboration avec le Prof. Ekhard Salje de l’université de Cambridge, un modèle mécanique sera développé pour simuler l’émergence de polarité à partir des gradients de contrainte.

Le développement de techniques de diagnostic précoce est un vrai défi dans le domaine médical ou de la défense. Il s’agit d’obtenir un outil capable de détecter rapidement, de façon simple, sensible et spécifique, différents objets biologiques rares en réponse à un besoin d’urgence de diagnostic clinique et/ou de biosécurité. L’approche proposée par le LERI et le LNO est en cela très innovante. Elle est basée sur la combinaison d’un marquage spécifique des anticorps développés au LERI avec des nanoparticules magnétiques et leur détection dynamique avec des capteurs magnétiques très sensibles à base d’électronique de spin. Ce sujet fait actuellement l’objet d’une thèse, qui a permis d’apporter la preuve de concept de la spécificité du test en étudiant un modèle de lignée de cellules de myélome murin. Un nouveau dispositif plus performant, avec des capteurs de part et d’autre du canal microfluidique, a été développé et fabriqué. Au cours de cette nouvelle thèse qui sera réalisée en collaboration avec le LERI, il s’agira de montrer que ce laboratoire sur puce est capable d’atteindre des performances suffisantes pour détecter des objets biologiques de plus petite taille, les bactéries. Le LERI dispose d’ores et déjà d’anticorps dirigés contre différentes bactéries (spores de bactéries gram(+) de Bacillus thuringiensis, bactérie gram(-) Salmonella Typhimurium) qui serviront de modèles d’étude de bactéries de la menace biologique. Au LERI, l'étudiant fonctionnalisera des particules magnétiques avec divers anticorps dirigés contre ces bactéries.

Au LNO, l’étudiant aura pour objectif de développer des laboratoires sur puce et évaluer leurs performances et robustesses. Il devra apprendre à les fabriquer avec les différentes techniques disponibles dans le service (salle blanche, découpe laser, machines de dépôts). Il devra concevoir un dispositif blindé transportable contre le bruit magnétique afin d’effectuer les mesures au LERI dans un environnement de haute sécurité microbiologique de niveau 2. Il adaptera les programmes de simulation et d’acquisition à la détection simultanée d’une bactérie par deux capteurs

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



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



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



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

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



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

La photo-électrolyse de l’eau permet la production directe d’hydrogène, en utilisant l’énergie solaire. Les photo-anodes les plus performantes sont obtenues avec des oxydes métalliques. Toutefois, à ce jour, aucun oxyde semi-conducteur simple ne réunit toutes les propriétés de photo-anode nécessaires pour permettre une production raisonnable d’hydrogène par ce procédé.



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

La production d’hydrogène par électrolyse de l’eau est une approche propre et viable, mais très gourmande en énergie électrique, afin de franchir le potentiel d’oxydoréduction de l’eau. Pour réduire l’apport en énergie électrique nous étudions la possibilité d’utiliser le rayonnement solaire qui, absorbé par des oxydes semi-conducteurs identifiés et optimisés, génère des paires électrons-trous qui vont participer aux réactions d’oxydoréduction dans une cellule de photo-électrolyse. En associant une photo-anode et une photo-cathode en configuration tandem permettra dans l’idéal de s’affranchir complètement du potentiel électrique externe nécessaire pour initier la réaction.



Pour cette thèse nous proposons d’étudier, dans le but d’optimiser, des photo-électrodes à base d’hématite obtenus par voie chimique en solution aqueuse. Cette méthode nous permet d’obtenir des films nanostructurés sous forme de nano-bâtonnets orientés perpendiculairement au substrat. Les photo-anodes et les photocathodes seront obtenues en dopant l’hématite avec du Ti et Mg ou Zn, respectivement. L’activité photo-électrochimique sera corroborée avec la morphologie utilisant des techniques comme le SEM et l’AFM, ou encore avec le potentiel de surface déterminé utilisant le KPFM. De plus, une approche micro-spectroscopique utilisant le STXM de la ligne de lumière HERMES au Synchrotron SOLEIL, permettra de sonder à une échelle nanométrique la composition chimique et la structure électronique des photo-électrodes. De cette manière l’origine microscopique des propriétés de photoconduction sera discernée, nous indiquant les directions pour agir sur les paramètres physico-chimiques cruciaux menant à l’optimisation des photo-électrodes.

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



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



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

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

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

Cette thèse en cotutelle avec l'institut quantique de l'université de Sherbrooke vise à la détection d'un spin unique par un résonateur micro-onde supraconducteur, dans deux systèmes distincts: un qubit basé sur le spin d'un électron unique localisé dans une boîte quantique d'une part, et un centre NV dans le diamant d'autre part.

Dans le premier cas, bien que le qubit de spin soit présentement considéré comme un candidat de choix pour le traitement quantique de l’information, la méthode de lecture actuellement privilégiée est destructive. Le projet proposé à l’Université de Sherbrooke vise à démontrer expérimentalement un nouveau type de mesure non destructive utilisant la modulation paramétrique du couplage longitudinal entre un résonateur supraconducteur et le spin.

Dans le second cas du centre NV unique, sa détection purement inductive par un résonateur de faible impédance caractéristique sera développée au CEA-université Paris-Saclay.

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



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



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



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



Références :

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

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

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

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

L'information quantique a émergé au cours des dernières décennies comme un nouveau pilier scientifique à la croisée des chemins entre la physique quantique et le traitement de l'information. En particulier, le calcul quantique est prometteur pour surpasser calcul classique en offrant une accélération considérable à certaines catégories de problèmes difficiles tels que la factorisation de grands entiers, la recherche dans une base de données non structurée, ou à plus court terme en aidant à la résolution des systèmes quantiques à N-corps en chimie, en matière condensée ou en physique nucléaire. Les bits quantiques sont les supports fondamentaux de l'information quantique, de nombreux systèmes de matière condensée possèdent des degrés de liberté capables de retenir fidèlement cette information quantique, en particulier dans les oscillateurs électriques supraconducteurs ou dans les défauts cristallins des matériaux de haute qualité. La thèse s'inscrit dans un projet de recherche à long terme du groupe Quantronique visant justement à combiner ces deux types de systèmes quantiques dans une structure hybride: des impuretés piégées dans des solides formeraient des éléments de mémoire haute- fidélité dans des processeurs quantiques supraconducteurs.