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Paris-Saclay
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Univ. Paris-Saclay
Calcul avec la dynamique non linéaire d'ondes de spin
Computing with nonlinear spin-wave dynamics

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

05/04/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

DE-LOUBENS Gregoire
+33 1 69 08 71 60

Résumé/Summary
Dans les nanostructures 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 pour accomplir des tâches de calcul neuromorphique.
In magnetic nanostructures, the excitation eigenmodes (spin-waves) are coupled together via nonlinear interactions. The main idea is to use this dynamical system to perform neuromorphic computing tasks.
Sujet détaillé/Full description
Les ondes de spin (OdS) sont les excitations collectives de l'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques. Leur fréquence propre se situe typiquement dans la gamme GHz avec des longueurs de propagation de plusieurs microns en fonction de l'amortissement intrinsèque du matériau. En raison des interactions d'échange et dipolaires, leur dynamique est par nature non linéaire et présente une physique très riche. Dans les géométries confinées à base de couches minces, les OdS sont quantifiées avec un spectre fréquentiel contrôlé par les dimensions latérales de l'échantillon. Ce spectre d'OdS peut également être modifié par des stimuli externes comme un champ magnétique ou un couple de transfert de spin. Des stimuli de grande amplitude peuvent aussi déclencher des processus non linéaires comme la conversion de mode et les instabilités de mode, conduisant à une redistribution d'énergie entre OdS [1,2].

Au cours de ce stage, nous étudierons expérimentalement les possibilités offertes par les OdS dans des couches minces nanostructurées pour effectuer du "reservoir computing" [3]. Le mécanisme de contrôle de base est le couplage non linéaire entre OdS, qui permet aux modes propres orthogonaux de l'état d'équilibre d'interagir les uns avec les autres à mesure que leurs amplitudes augmentent. Parce qu'un tel couplage implique des événements de seuil [1], comme observé dans les neurones, il est possible de réaliser des tâches de calcul de nature cognitive, comme par exemple de la classification. Pour cela, nous réaliserons une spectroscopie multifréquence de nanostructures magnétiques à très faible amortissement dans le régime non linéaire [2]. Nous utiliserons un microscope de force à résonance magnétique, une technique de champ proche développée au laboratoire capable de détecter la dynamique d'OdS dans des nanoaimants individuels [4]. Pour analyser les résultats expérimentaux et identifier les configurations utiles pour le reservoir computing basé sur un réseau de neurones récurrent, nous nous appuierons également sur des simulations micromagnétiques basées sur un code python open source [5]. À moyen terme, cela pourrait permettre une implémentation hardware de reservoir computing reposant sur le concept de "liquid state machine" [6] aux fréquences GHz, qui serait utile entre autres pour le traitement des signaux de télécommunications.

Ce stage se déroulera dans le cadre de deux projets récemment financés, l'un par l'Europe (k-NET) et l'autre par l'ANR (MARIN), et se déroulera donc dans un environnement collaboratif.

Références :
[1] V. Naletov et al., Ferromagnetic resonance spectroscopy of parametric magnons excited by a four-wave process, Phys. Rev. B 75, 140405 (2007)
[2] Y. Li et al., Nutation Spectroscopy of a Nanomagnet Driven into Deeply Nonlinear Ferromagnetic Resonance, Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)
[3] W. Maass et al., Real-time computing without stable states: A new framework for neural computation based on perturbations, Neural Computation 14, 2531 (2002)
[4] O. Klein et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
[5] http://micromagnetics.org/software/
[6] C. Fernando & S. Sojakka, Pattern Recognition in a Bucket in Lecture Notes in Computer Science, vol 2801 (2003)
Spin-waves (SWs) are the collective excitations of magnetization in ferromagnets. Their natural frequency is typically in the GHz range with propagation lengths over several microns depending on the intrinsic damping of the material. Due to exchange and dipole-dipole interactions, their dynamics is inherently nonlinear and can exhibit rich physics. In confined geometries like thin film waveguides and dots, SW modes are quantised with frequency spacings controlled by the lateral dimensions of the magnetic sample, which can be further modified by external stimuli such as applied magnetic fields or spin transfer torques. Large amplitude stimuli can trigger nonlinear processes like mode conversion and mode instabilities, resulting in the redistribution of energy between coupled SW modes [1,2].

During this internship, we will investigate experimentally the capacity of SWs in nanostructured thin films to perform reservoir computing [3]. The basic control mechanism is the nonlinear coupling between SWs, which allows orthogonal eigenmodes of the equilibrium state to interact with each other as their amplitudes increase. Because such coupling involves thresholding events [1], like for spiking neurons, we can achieve computational tasks with a cognitive nature like classification. For this, we will perform a multifrequency spectroscopy of ultra-low damping magnetic nanostructures in the nonlinear regime [2]. We will use a magnetic resonance force microscope, a home made near field technique able to sensitively detect SW dynamics in individual nanomagnets [4]. To analyze the experimental results and identify configurations useful for reservoir computing based on recurrent neural network, we will also rely on micromagnetic simulations based on an open source python code [5]. In the mid-term, this might allow for a new hardware implementation of reservoir computing that relies on the liquid state machine concept [6] at GHz frequencies, which could be useful for processing telecommunications signals.

This internship will take place in the context of two recently funded projects, one by Europe (k-NET), and another one by the French ANR (MARIN), and will therefore be conducted in a collaborative environment.

References:
[1] V. Naletov et al., Ferromagnetic resonance spectroscopy of parametric magnons excited by a four-wave process, Phys. Rev. B 75, 140405 (2007)
[2] Y. Li et al., Nutation Spectroscopy of a Nanomagnet Driven into Deeply Nonlinear Ferromagnetic Resonance, Phys. Rev. X 9, 041036 (2019)
[3] W. Maass et al., Real-time computing without stable states: A new framework for neural computation based on perturbations, Neural Computation 14, 2531 (2002)
[4] O. Klein et al., Ferromagnetic resonance force spectroscopy of individual submicron-size samples, Phys. Rev. B 78, 144410 (2008)
[5] http://micromagnetics.org/software/
[6] C. Fernando & S. Sojakka, Pattern Recognition in a Bucket in Lecture Notes in Computer Science, vol 2801 (2003)
Mots clés/Keywords
Dynamique de l'aimantation ; nanomagnétisme ; magnonique ; systèmes dynamiques ; calcul neuromorphique
Magnetization dynamics ; nanomagnetism ; magnonics ; dynamical systems ; neuromorphic computing
Compétences/Skills
Microscopie à force magnétique ; techniques hyperfréquence ; simulations micromagnétiques
Magnetic force microscopy; high frequency techniques; micromagnetic simulations
Logiciels
Python
Capteurs à magnéto-résistance tunnel ultra-sensible pour l'imagerie médicale
Ultra-sensitive tunnel magneto-resistance sensors for medical imaging

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

31/03/2022

Durée

5 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

PANNETIER-LECOEUR Myriam
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
Le but du stage est de mettre au point, fabriquer et tester des capteurs magnétique à très haute sensibilité co-intégrant un supraconducteur et un élément spintronique. L'application visée est l’imagerie par résonance magnétique à bas champ magnétique (10mT).
The goal of the internship is to develop, fabricate and test very high sensitivity magnetic sensors co-integrating a superconductor and a spintronic element. The targeted application is magnetic resonance imaging (MRI) at low magnetic field (10mT).
Sujet détaillé/Full description
Notre laboratoire a mis au point un dispositif appelé capteur mixte, associant une boucle de capture supraconductrice à un capteur à magnétorésistance géante (ou GMR) pour la mesure de signaux magnétiques extrêmement petits (quelques femtoteslas = 10^-15T), comme ceux produits par le coeur ou le cerveau. Nous avons démontré que ce type de dispositif pouvait détecter les signaux magnétiques dus à l’activité électrique cardiaque. Ce type de capteur peut être aussi très intéressant pour la mesure de signaux d’Imagerie par Résonance Magnétique (IRM).

L’élément magnéto-résistif utilisé jusqu’à présent est une GMR métallique de type spin valve. Les récents progrès dans le domaine de l’électronique de spin ont permis de proposer des magnétorésistances tunnel (TMR) dont les performances sont augmentées, en particulier à haute fréquence. L’étude et la compréhension du bruit, en particulier à basse température, de ces structures, est un point central pour le développement ensuite de dispositifs ultra-sensibles.

Le but du stage est d’étudier les systèmes TMR à basse température grâce à des mesures de magnéto-transport et de bruit, puis de les intégrer à des dispositifs de type capteurs mixtes. Ces capteurs mixtes seront déployés pour l’IRM dans le cadre du projet ANR VLFMRI.
Our laboratory has developed a device called mixed sensor, combining a superconducting pick up loop with a giant magnetoresistance (or GMR) sensor for the measurement of extremely small magnetic signals (a few femtoteslas = 10^-15T), such as those produced by the heart or the brain. We have shown that this type of device can detect magnetic signals due to cardiac electrical activity. This type of sensor can also be very interesting for the measurement of Magnetic Resonance Imaging (MRI) signals.

The magneto-resistive element used so far is a metallic GMR of the spin valve type. Recent progress in the field of spin electronics has made it possible to propose tunnel magnetoresistors (TMR) whose performances are increased especially at high frequency. The study and understanding of the noise, especially at low temperature, of these structures is a key issue for the further development of ultra-sensitive devices.

The goal of the internship is to study low temperature TMR systems through magneto-transport and noise measurements, and then to integrate them into mixed sensor devices. These mixed sensors will be deployed for MRI in the framework of the ANR VLFMRI project.
Mots clés/Keywords
Capteur magnétique, magnétotransport, bruit magnétique, IRM
Magnetic sensor, magnetotransport, magnetic noise, MRI
Compétences/Skills
Microfabrication, mesures de magnétotransport et de bruit à basse température, imagerie magnétique
Microfabrication, magnetotransport and noise measurements at low temperature, magnetic imaging
Contrôle de la séparation des phases dans les systèmes de matière active
Controlling phase separation in active systems

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

12/05/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

NARDINI Cesare
+33 1 69 08 7072

Résumé/Summary
Les systèmes actifs, depuis les volées d'oiseaux jusqu'aux colloïdes autopropulsés, présentent des comportements collectifs fascinants, cruciaux à la fois en biologie et pour l'ingénierie future d'une nouvelle classe de matériaux mous. Nous étudierons et, nous l'espérons, contrôlerons l'un des plus importants d'entre eux, tant sur le plan informatique qu'analytique, en utilisant des techniques de mécanique statistique hors équilibre.
Active systems, from flocks of birds to self-propelled colloids, show fascinating collective behaviors crucial both in biology and for the future engineering of a new class of soft materials. We will study, and hopefully control, one of the most important of these both computationally and analytically by using techniques from non-equilibrium statistical mechanics.
Sujet détaillé/Full description
Examples of active systems, formed of units that are able to extract energy from the environment and dissipate it to self-propel, are found everywhere in nature: flocks of birds, animal swarms, suspensions of bacteria or tissues are all biological active systems. Recently, scientists have built synthetic active systems using catalytic colloidal particles or micro-robots; active matter is a class of soft materials capable of new forms of self-organization. Furthermore, these systems have theoretically fascinating properties, a fact that drove a very intense research activity lately. Future applications may encompass the engineering self-assembling materials using active units, considered as a defining agenda in the community.

Large assemblies of active units display collective phenomena that are absent in equilibrium. One of the most ubiquitous is phase separation: unlike in equilibrium systems, even repulsive but active particles phase separate into dense and dilute phases. In some cases, this resemble to liquid-vapor phase separation of standard fluids. Due to broken time-reversibility, however, phase separation in active systems often shows very different features from a liquid-vapor phase separation, and currents in the steady state. For example, the dense regions can support a population of mesoscopic vapor bubbles (bubbly phase separation, qualitatively resembling to a boiling liquid), or the vapor-liquid interface is unstable, giving rise to active foam states.

Non-equilibrium types of phase separation arising in active systems. Shown is the density field (bright colors denote dense regions). Bubbly phase separation (Left) and an active foam state (Right). One of the main goals of this project is to control such phases in particle-based models.

The main open theoretical question is how to control these novel states of matter in terms of microscopically tunable parameters. The main goal of this internship, with possible extension to a PhD (subjected on funding), is to fill this gap. We will employ both analytical and numerical techniques, such as direct numerical simulations of particle systems and of continuum descriptions of the system (field theories). If successful, this work will provide a guide for experimentalists to design novel self-assembling materials using active units. Given the ubiquity of phase separation in non-equilibrium contexts, we will further explore the relevance of these results to other out-of-equilibrium systems, such as biological tissues and granular materials. If the stagiare continues with a PhD, the work will be inscribed in a larger collaboration ongoing with researchers in the UK (Cambridge) and Sweden (Lund).


References :
- E. Thjung, C. Nardini, M.E. Cates, Cluster phases and bubbly phase separation in active fluids: reversal of the Ostwald process, PRX, 8, 031080, 2018
- J. Tailleur, M.E. Cates, Motility-Induced phase separation, Ann. Rev. Cond. Mat., 6, 219, 2015
- G. Gommper et al., The 2020 motile active matter roadmap, Journal of Physics: Condensed Matter 20, 193001, 2020
Examples of active systems, formed of units that are able to extract energy from the environment and dissipate it to self-propel, are found everywhere in nature: flocks of birds, animal swarms, suspensions of bacteria or tissues are all biological active systems. Recently, scientists have built synthetic active systems using catalytic colloidal particles or micro-robots; active matter is a class of soft materials capable of new forms of self-organization. Furthermore, these systems have theoretically fascinating properties, a fact that drove a very intense research activity lately. Future applications may encompass the engineering self-assembling materials using active units, considered as a defining agenda in the community.

Large assemblies of active units display collective phenomena that are absent in equilibrium. One of the most ubiquitous is phase separation: unlike in equilibrium systems, even repulsive but active particles phase separate into dense and dilute phases. In some cases, this resemble to liquid-vapor phase separation of standard fluids. Due to broken time-reversibility, however, phase separation in active systems often shows very different features from a liquid-vapor phase separation, and currents in the steady state. For example, the dense regions can support a population of mesoscopic vapor bubbles (bubbly phase separation, qualitatively resembling to a boiling liquid), or the vapor-liquid interface is unstable, giving rise to active foam states.

Non-equilibrium types of phase separation arising in active systems. Shown is the density field (bright colors denote dense regions). Bubbly phase separation (Left) and an active foam state (Right). One of the main goals of this project is to control such phases in particle-based models.

The main open theoretical question is how to control these novel states of matter in terms of microscopically tunable parameters. The main goal of this internship, with possible extension to a PhD (subjected on funding), is to fill this gap. We will employ both analytical and numerical techniques, such as direct numerical simulations of particle systems and of continuum descriptions of the system (field theories). If successful, this work will provide a guide for experimentalists to design novel self-assembling materials using active units. Given the ubiquity of phase separation in non-equilibrium contexts, we will further explore the relevance of these results to other out-of-equilibrium systems, such as biological tissues and granular materials. If the stagiare continues with a PhD, the work will be inscribed in a larger collaboration ongoing with researchers in the UK (Cambridge) and Sweden (Lund).


References:
- E. Thjung, C. Nardini, M.E. Cates, Cluster phases and bubbly phase separation in active fluids: reversal of the Ostwald process, PRX, 8, 031080, 2018
- J. Tailleur, M.E. Cates, Motility-Induced phase separation, Ann. Rev. Cond. Mat., 6, 219, 2015
- G. Gommper et al., The 2020 motile active matter roadmap, Journal of Physics: Condensed Matter 20, 193001, 2020
Mots clés/Keywords
Theoretical physics; Soft matter
Theoretical physics; Soft matter
Compétences/Skills
Simulations of particle models and continuum theories using molecular dynamics, finite difference and pseudo-spectral codes. Stochastic analysis, stochastic field theories, path integrals, disordered systems. Coarse graining techniques / kinetic theories.
Simulations of particle models and continuum theories using molecular dynamics, finite difference and pseudo-spectral codes. Stochastic analysis, stochastic field theories, path integrals, disordered systems. Coarse graining techniques / kinetic theories.
Design par IA d'architectures optimales pour métamatériaux ultra-légers et résistants à la rupture et déformation
Design by AI of optimal architectures for ultralight metamaterials resistant to fracture and deformation

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BONAMY Daniel
+33 1 69 08 21 14

Résumé/Summary
Le stage s'inscrit dans un projet de recherche visant à développer une nouvelle classe de méta-matériaux poreux, d’architecture aléatoire et inspirée de la structure osseuse pour combiner légèreté et résistance à la rupture.
The internship is part of a research project aiming at developing a new class of porous meta-materials with a random architecture inspired by that of bones, to achieve high performance in terms of both lightness and resistance to fracture.
Sujet détaillé/Full description
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 offrent dans ce contexte un potentiel considérable (e.g micro-lattice inventé au Caltech, produit par Boeing).

Les voies explorées actuellement portent sur des architectures périodiques, inspirées des cristaux. Le critère de Maxwell permet alors, à partir du nombre d’entretoises et de joints presents dans une maille élémentaire, de prévoir si la structure se déformera du fait de l’étirement, ou de la flexion de ses entretoises, et par suite d’estimer la rigidité du métamatériau et sa variation avec la densité du matériau. En revanche, les matériaux architecturés observés dans la nature (os, structure alvéolaire des écorces…) présentent des architectures aléatoires optimisées pour répondre à une certaine sollicitation du milieu ou remplir une fonction précise.

L’idée proposée ici vise à utiliser les outils de l’intelligence artificielle (IA) et de l’optimisation topologique pour renforcer les architectures sans présupposer celles-ci. Le stage est principalement numérique et théorique. Nous partirons d’un modèle de poutres récemment développé dans le laboratoire. L’objectif final est le développement d’un algorithme permettant de définir des architectures optimales en termes de rigidité mécanique et résistance à la fissuration, sous contrainte de conditions de densité et d’isotropie mécanique, avec l’aide d’outils à définir : fonction de coût et poids associés, descente de gradient pour la minimisation, réseau de neurones etc. Une composante expérimentale pourra être inclue, avec la fabrication additive des métamatériaux obtenus numériquement et leur caractérisation mécanique sur les bancs expérimentaux développés dans notre laboratoire.
The quest toward high-performance materials combining lightness and mechanical strength gave rise to a flurry of activity: desire to reduce CO2 emissions and develop fuel-efficient vehiclesin the transport industries for instance. In this context, meta-materials or architectured materials offer considerable potential (e.g. micro-lattice invented at Caltech and produced by Boeing) and significant progresses have been achieved recently.

The routes explored so far have mainly focused on periodic architectures, inspired from crystals. Maxwell's criterion makes it possible, from the number of struts and joints present in a basic cell, to predict whether the structure deformation will stretching- or bending-dominated, and consequently to estimate overall metamaterial stiffness and its its variation with material density. Conversely, the architecture materials observed in nature (bone, cellular structure in bark...) present random architectures optimized to respond to a certain stress of the environment or fulfill a specific function.

The idea proposed here is to use the tools of artificial intelligence (AI) and topological optimization to strengthen architectures without presupposing them. The intership is mainly numerical and theoretical. We will start from a beam model recently developed in the lab. The final objective is the development of an algorithm to define optimal architectures in terms of mechanical stiffness and cracking resistance, under constraints of density conditions and mechanical isotropy, with the help of tools to be defined: cost function and associated weights, gradient descent for minimization, neural network etc. An experimental component may be included, with the 3D-printing of the metamaterials designed numerically and their mechanical characterization on the experimental setups developed in our lab.
Mots clés/Keywords
IA, physique statistique, mécanique du solide
AI, statistical physics, solid mechanics
Compétences/Skills
Apprentissage automatique, simulation numérique, modèle de poutres
Machine learning, numerical simulation, beam model
Logiciels
Python
Etude et caractérisation d’un détecteur pixélisé semi-conducteur sous rayonnement béta et faisceaux d’électron à basse énergie

Spécialité

Théorie et traitement du signal

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

16/02/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETT Nick
+33 1 69 08 32 72

Résumé/Summary
Dans le cadre d'une collaboration entre deux instituts du CEA (IRAMIS et LIST), le laboratoire Aimé Cotton et l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, pour développer un système de détection bidimensionnel avec une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde, nous souhaitons étudier et de caractériser le détecteur Timepix3 et son électronique de lecture.
Sujet détaillé/Full description
La mesure des rayonnements ionisants est un enjeux d’importance dans de nombreux domaines. Le développement des détecteurs pixélisés à semi-conducteur, au début des années 2000 ainsi que leur continuelle évolution apportent de nombreux avantages pour ces applications. Une récente génération de ce type de détecteur, baptisé Timepix3 a été développé par le CERN au sein de la Collaboration Medipix, dont le CEA fait partie des membres fondateurs. Ce détecteur en rupture atteint des performances compatibles avec des applications de mesures avancées.

Dans le cadre du Programme Transversal de Compétence "Instrumentation et Détection" du CEA, une collaboration entre deux instituts du CEA (IRAMIS et LIST), le laboratoire Aimé Cotton et l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, travaille sur le système de détection bidimensionnel avec une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde. Ce système sera inséré dans le prototype d’une nouvelle génération de microscope électronique capable simultanément d’imagerie spatiale et d’analyse des interactions vibrationnelles des surfaces étudiées, appelé HREELM. Afin de développer la brique de détection, il est nécessaire de réussir l’acquisition d’un spectre de d’énergie pixel par pixel. Un des éléments clés de l’instrument est sa capacité à mesurer en temps réel l’instant d’impact d’un électron sur le détecteur spatio-temporel et d’en déterminer ses coordonnées. Les détecteurs Timepix3 revêtent un intérêt fort pour ce développement.

Dans le contexte de ce projet de recherche, nous recherchons un-e stagiaire de niveau M2 ou 3ème année d’école d’ingénieur afin d’étudier et de caractériser le détecteur Timepix3 et son électronique de lecture au regard de l’application visée. Le stage impliquera un mixte de composantes de simulations Monte-Carlo et de caractérisations expérimentales. Un aspect important consistera par ailleurs en le traitement des données issues de ces expériences et la calibration des différents paramètres du détecteur pour répondre à la problématique. Le but sera de qualifier et calibrer toute la chaine de mesure afin d’obtenir une résolution temporelle de ~ 1 ns pour chaque pixel et une résolution spatiale < 50 µm en temps réel (< 5 µs).

Le/la stagiaire sera employé-e par le CEA et travaillera principalement à l’Institut LIST de CEA Tech, sur le campus de l’Université Paris Saclay, sous la direction de Vincent Schoepff. S’inscrivant dans un travail collaboratif, des échanges avec les autres équipes impliquées ainsi qu’un reporting régulier seront attendus lors des réunions projet avec l’ensemble des partenaires. Un début de stage est souhaité à partir de février/mars 2022 pour une durée de 6 mois.

Contacts : vincent.schoepff@cea.fr - nick.barrett@cea.fr
Mots clés/Keywords
Traitement de données, simulations, ASIC
Compétences/Skills
Le/la stagiaire sera employé-e par le CEA et travaillera principalement à l’Institut LIST de CEA Tech, sur le campus de l’Université Paris Saclay, sous la direction de Vincent Schoepff.
Evaluation de la teneur en nanotube de carbone dans une matrice par mesure de susceptibilité magnétique
Evaluation of the carbon nanotube content in a matrix by magnetic susceptibility measurement

Spécialité

Mesures physiques

Niveau d'étude

Bac+2

Formation

DUT/L2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2022

Durée

2 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

PANNETIER-LECOEUR Myriam
+33 1 69 08 74 10

Résumé/Summary
Le but du stage est de mesurer les teneurs en nanotube de carbone dans des matrices (ciments, polymères) en utilisant une technique de mesure de la susceptibilité magnétique.
The aim of the internship is to measure carbon nanotube contents in matrices (cements, polymers) using a magnetic susceptibility detection technique.
Sujet détaillé/Full description
Afin d'améliorer les performances mécaniques ou électriques de certains matériaux (ciments ou polymères), l'insertion de charges carbonées, telles que les nanotubes de carbone (NTCs), peut être utilisée. Il est ensuite utile de déterminer la teneur exacte des différents échantillons obtenus.

Pour éviter des méthodes d'imagerie par microscopie (nécessitant une préparation de l'échantillon et n'apportant qu'une information très locale), il est utile de développer une autre méthode d'analyse physique. La mesure de susceptibilité magnétique permet d'accéder à cette teneur grâce à la détection des particules à base de fer liées aux NTCs par leur procédé de fabrication (catalyseur) [1]. La signature dans la susceptibilité permet une mesure quantitative rapide et non invasive. Un dispositif spécifique compact a été développé au laboratoire.

Le stage consistera à mesurer avec cet appareil la susceptibilité de différents échantillons dans des matrices différentes pour en connaitre la teneur en NTCs. Il sera aussi possible d'évaluer la possibilité de faire de la cartographie sur des échantillons dont la teneur varie localement. Ce stage est en collaboration avec le DRF/IRAMIS/NIMBE au CEA.

[1] E. Charon, M. Pinault, M. Mayne-L'Hermite et al. Carbon 173 (2021) 758e768
In order to improve the mechanical or electrical performance of certain materials (cements or polymers), the insertion of carbonaceous fillers such as carbon nanotubes (CNTs) can be used. It is then useful to determine the exact content of the different samples obtained. To avoid imaging methods by microscopy (requiring a preparation of the sample and bringing only a very local information), it is useful to develop another physical analysis method.

The measurement of magnetic susceptibility allows access to this content thanks to the removal of iron-based particles bound to CNTs by their manufacturing process (catalyst) [1]. The signature in the susceptibility allows a fast and non-invasive quantitative measurement. A specific compact device has been developed in the laboratory.

The internship will consist in measuring with this device the susceptibility of different samples in different matrices to know the CNT content. It will also be possible to evaluate the possibility of doing mapping on samples with locally varying content. This internship is in collaboration with DRF/IRAMIS/NIMBE within CEA.

[1] One-step synthesis of highly pure and well-crystallized vertically aligned carbon nanotubes
E. Charon, M. Pinault, M. Mayne-L'Hermite et C. Reynaud, Carbon 173 (2021) 758-768.
Mots clés/Keywords
Suceptibilité magnétique, nanotubes de carbone.
Magnetic susceptibility, carbon nanotube.
Compétences/Skills
Mesure de susceptibilité magnétique.
Magnetic susceptibility measurement.
Exploration de la physique des réseaux Kagomé métalliques corrélés.
Exploring the physics of correlated metallic Kagome networks.

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

19/05/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

COLSON Dorothee
+33 1 69 08 73 14/93 01

Résumé/Summary
Nous proposons l'étude de systèmes contenant des plans de structure Kagomé de métaux de transition (Fe, Co, Rh...), qui réunissent intrinsèquement de fortes corrélations et des structures de bandes topologiquement non triviales. Un exemple est le semi-métal de Weyl magnétique Co3Sn2S2, qui présente un effet Hall anormal record, mais où la force et le rôle de la corrélation dans ces systèmes sont encore largement inconnus.
We propose the study of systems containing Kagome planes of transition metals (Fe, Co, Rh…), which intrinsically bring together strong correlations and topologically non-trivial band structures. One example is the magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2, which display a record large anomalous Hall effect, but where the strength and the role of correlation in these systems are still largely unknown.
Sujet détaillé/Full description
Les fortes corrélations électroniques donnent lieu à des formes exotiques d'arrangements électroniques, comme la supraconductivité à haute température ou la magnétorésistance colossale. Parallèlement, la physique de l'état solide a été récemment secouée par la découverte de matériaux topologiques, où des fermions exotiques, tels que les fermions de Dirac ou de Weyl, ont été découverts. Les deux propriétés sont activement étudiées, mais elles coexistent rarement dans les mêmes matériaux. La plupart des matériaux topologiques connus aujourd'hui sont des semi-conducteurs faiblement corrélés, qui sont plutôt bien décrits par la théorie des bandes, contrairement aux systèmes corrélés. Trouver des propriétés similaires dans des systèmes corrélés pourrait ajouter de nouvelles dimensions au problème. Le magnétisme est par exemple courant dans les métaux de transition corrélés, donnant lieu à de nouvelles propriétés topologiques.

Nous proposons l'étude de systèmes contenant des plans Kagomé de métaux de transition (Fe, Co, Rh...), qui réunissent intrinsèquement de fortes corrélations et des structures de bandes topologiquement non triviales. Un exemple est le semi-métal de Weyl magnétique Co3Sn2S2, qui présente un effet Hall anormal record, mais où la force et le rôle de la corrélation dans ces systèmes sont encore largement méconnus.

L'étudiant synthétisera et caractérisera des monocristaux du composé pur et étudiera les modifications de ses propriétés par substitution chimique (Fe,Ni,Rh...).

Une attention particulière sera portée aux propriétés structurales et physiques des cristaux en utilisant des mesures de diffraction des rayons X (poudre et monocristal) et de magnétisme (Squid, VSM). Nous réaliserons ensuite des expériences de photoémission résolue en angle au synchrotron SOLEIL pour étudier sa structure de bande électronique et vérifier la présence de propriétés topologiques et/ou corrélées.
Strong electronic correlations give rise to exotic forms of electronic orderings, such as high temperature superconductivity or colossal magnetoresistance. In parallel, solid-state physics has been shaken recently by the discovery of topological materials, where exotic fermions, such as Dirac or Weyl fermions have been discovered. Both properties are actively studied, but they rarely coexist in the same materials. Most topological materials known today are weakly correlated semiconductors, which are rather well described by band theory, unlike correlated systems. Finding similar properties in correlated systems could add new dimensions to the problem. Magnetism is for example common in correlated transition metal, giving rise to new topological properties.

We propose the study of systems containing Kagome planes of transition metals (Fe, Co, Rh…), which intrinsically bring together strong correlations and topologically non-trivial band structures. One example is the magnetic Weyl semimetal Co3Sn2S2, which display a record large anomalous Hall effect, but where the strength and the role of correlation in these systems are still largely unknown.

The student will synthesize and characterize single crystals of the pure compound and to study the modifications of its properties by chemical substitution (Fe,Ni,Rh...).

A peculiar attention will be given to the structural and physical properties of crystals by using X-rays diffraction measurements (powder and single crystal) and magnetism (Squid, VSM). We will then perform angle resolved photoemission experiments at the SOLEIL synchrotron to study its electronic band structure and check for the presence of topological and/or correlated properties.
Mots clés/Keywords
Sciences des Matériaux , mots clés: Corrélations électroniques fortes, propriétés topologiques, croissance de cristaux, diffract
Materials science, Keywords: Strong electronic correlations, topological properties, crystal growth, X-rays diffraction, magneti
Compétences/Skills
Croissance cristalline, analyse EDS, diffraction des rayons X, mesures magnétiques, photoémission résolue en angle.
Crystal growth, EDS analysis, X-rays diffraction, magnetic measurements, Angle resolved photoemission.
Implémentation/optimisation d’un système de detection 2D spectroscopique par temps de vol pour un microscope à haute résolution des pertes d’énergie d’électrons, HREELM

Spécialité

Théorie et traitement du signal

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

16/02/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BARRETT Nick
+33 1 69 08 32 72

Résumé/Summary
Dans le cadre d’une collaboration avec le CEA (IRAMIS et LIST), le laboratoire Aimé Cotton et l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, nous recherchons un stagiaire de niveau Master 2 ou 3ème année d’ingénieur pour l’optimisation d’un système de détection 2D avec résolution temporelle de l’ordre de la ns et de la lecture et de la transmission des signaux acquis.
Sujet détaillé/Full description
Dans le cadre d’une collaboration avec le CEA (IRAMIS et LIST), le laboratoire Aimé Cotton et l’Institut des Sciences Moléculaires d’Orsay, nous recherchons un stagiaire de niveau Master 2 ou 3ème année d’ingénieur pour l’optimisation d’un système de détection 2D avec résolution temporelle de l’ordre de la ns et de la lecture et de la transmission des signaux acquis.

Le système sera inséré dans le prototype d’une nouvelle génération de microscope électronique capable simultanément d’imagerie spatiale et d’analyse des interactions vibrationnelles des surfaces étudiées, appelé HREELM. Le laboratoire Aimé Cotton a développé une source (brevetée) d’électrons mono-énergétiques. Le CEA, le LAC et l’ISMO ont conçu l’optique électronique. Les détecteurs seront fournis par la collaboration « Medipix » gérée par la CERN et dont le CEA est partenaire. Le dernier jalon avant la réalisation du prototype est l’implémentation et l’optimisation du système de détection.
Nous devons démontrer le caractère monocinétique de la source pulsée (résolution ~5 meV) à basse énergie (10 eV) et réussir l’acquisition d’un spectre de d’énergie pixel par pixel. Un des éléments clés de l’instrument est sa capacité à mesurer en temps réel l’instant d’impact d’un électron sur le détecteur spatio-temporel et d’en déterminer ses coordonnées. Nous utilisons pour cela des détecteurs rapides Timepix3 https://kt.cern/technologies/timepix3, dans le cadre du Programme Transversal de Compétences CEA "Instrumentation et Détection" HREELM (High resolution electron energy loss microscopy).

En étroite collaboration avec le responsable de projet scientifique, les stagiaires auront pour mission la prise en charge du détecteur spatio-temporel et de la transmission haute cadence de ses données mesurées vers l’ordinateur de traitement. Cela impliquera une activité variée de développement instrumental comme souvent rencontré dans le monde de la recherche fondamentale. Il s’agira dans un premier temps de finaliser l’adaptation du Timepix à un environnement sous-vide avec le refroidissement et la connectique nécessaires. Il faudra aussi pouvoir y adapter des galettes micro-canaux et un étage de post-accélération, par génération de champs électriques de quelques kV/cm commandés. Une grande partie du stage sera également consacrée au traitement de données via une forte interaction avec les autres membres de la collaboration, en comparant les acquisitions existantes (par exemple USB ou Ethernet). Le but sera de qualifier et calibrer toute la chaine de mesure afin d’obtenir une résolution temporelle de ~ 1 ns pour chaque pixel et une résolution spatiale < 50 µm en temps réel (< 5 µs). Cela nous permettra d’analyser par temps de vol les diverses sources d’électrons : soit en photoionisant directement le jet d’atomes de césium, soit en l’excitant et en le ionisant en pulsant un champ électrique.

Le stagiaire sera employé par le CEA et travaillera au laboratoire Aimé Cotton sur le campus de l’Université Paris Saclay. Il s’agit d’un travail en équipe avec reporting régulier lors des réunions projet avec l’ensemble des partenaires. Un début de stage en février/mars 2022 est souhaité pour une durée de 6 mois.
Mots clés/Keywords
Détecteur haute cadence, connectique, ASIC
Compétences/Skills
Adaptation de détecteur Timepix à l'énvironnement ultravide - Traitement de signal Le stagiaire sera employé par le CEA et travaillera au laboratoire Aimé Cotton sur le campus de l’Université Paris Saclay. Il s’agit d’un travail en équipe avec reporting régulier lors des réunions projet avec l’ensemble des partenaires.
Interaction en champ proche et lointain d’atomes en mouvement médiée par le vide électromagnétique
Near and far field interaction between moving atoms mediated by the electromagnetic vacuum

Spécialité

Physique théorique, mécanique quantique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

01/04/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

BERCEGOL Hervé
+33 1 69 08 74 37

Résumé/Summary
Pour approfondir l'étude de la friction quantique, nous allons calculer l'effet de la propagation des ondes sur l'énergie potentielle de van der Waals et sur le couple de freinage, effet négligé lors de précédents calculs. On traitera le sujet avec des calculs formels et une résolution numérique.
To further investigate quantum friction, we will calculate the effect of wave propagation on the braking torque and on van der Waals potential energy, an effect neglected in previous calculations. The subject will be treated with algebraic computation and numerical integration.
Sujet détaillé/Full description
La friction quantique (c'est-à-dire la friction de la matière en mouvement sur le vide quantique) a été démontrée théoriquement sur des nanomatériaux en rotation [1]. Nous avons étendu cette propriété aux atomes en interaction, en calculant avec un modèle semi-classique la friction du vide sur des oscillateurs atomiques en rotation l'un autour de l'autre [2]. Des travaux récents [3.a] ont montré que l'extension de cette propriété à des configurations plus réalistes nécessite un calcul plus complet de l'interaction entre les atomes et le champ électromagnétique.

L'importance de la propagation des ondes électromagnétiques est bien connue dans le cas de l'attraction de Casimir-Polder à longue distance, mais elle affecte également la situation de champ proche, où son inclusion dans les calculs est nécessaire pour interpréter physiquement le phénomène de friction et les échanges d'énergie induits. En outre, un modèle entièrement quantique doit être développé pour la paire d'atomes en rotation, afin d'explorer rigoureusement certaines propriétés des paires mixtes d'atomes différents [3.b], et d'autres configurations plus réalistes.

L'étudiant de master se chargera de la première étape, l'effet de la propagation des ondes. Cet effet sera étudié dans le cadre du modèle semi-classique déjà développé, en utilisant à la fois des calculs formels et des programmes numériques. Nous nous intéresserons à la détermination de l'énergie potentielle et de la force de friction. Le doctorant complétera ces calculs et travaillera à l'élaboration d'un modèle entièrement quantique. La recherche doctorale sera dirigée conjointement avec un spécialiste des calculs d'électrodynamique quantique.

Références:
[1] Manjavacas, A., García de Abajo, F. J., "Vacuum Friction in Rotating Particles", Phys. Rev. Lett. 105, 113601 (2010).
[2] Bercegol, H., Lehoucq, R., "Vacuum friction on a rotating pair of atoms", Phys. Rev. Lett. 115, 090402 (2015).
[3] a. Klein, B. "Approche quantique de la friction du vide dans les collisions atomiques et subatomiques", CentraleSupélec, 2021.
b. De Izarra, A. "Effet du champ électromagnétique du vide sur les collisions atomique", Univ. Tours, 2016.
Quantum friction - i.e. Friction of moving matter on the quantum vacuum - has been shown theoretically to produce a braking torque on rotating nanomaterials [1]. At SPEC, we extended this property to interacting atoms in rotation one around the other, using atomic oscillators and a semi-classical model of vacuum [2]. Recent work [3.a] showed that the extension of this property to more realistic configurations necessitates a more complete calculation of the interaction between atoms and the electromagnetic field.

The importance of electromagnetic wave propagation is well known in the long-range Casimir-Polder case, but it also affects the near field situation, where its inclusion in calculations is necessary to interpret physically the friction phenomenon and induced energy exchanges. Moreover, a fully quantum model must be developed for the rotating pair of atoms, in order to explore rigorously some properties of mixed pairs of different atoms [3.b], and other more realistic configurations.

The master’s student will take up the first step, the effect of wave propagation. This effect will be studied within the already developed semi-classical model, by using both formal calculations and numerical programs. We will be interested in both potential energy and friction force determinations. The PhD student will complete those calculations and work towards of fully quantum model. The PhD research will be directed jointly with a specialist of quantum electrodynamic calculations.

References:
[1] Manjavacas, A., García de Abajo, F. J., "Vacuum Friction in Rotating Particles", Phys. Rev. Lett. 105, 113601 (2010).
[2] Bercegol, H., Lehoucq, R., "Vacuum friction on a rotating pair of atoms", Phys. Rev. Lett. 115, 090402 (2015).
[3] a. Klein, B. "Approche quantique de la friction du vide dans les collisions atomiques et subatomiques", CentraleSupélec, 2021.
b. De Izarra, A. "Effet du champ électromagnétique du vide sur les collisions atomique", Univ. Tours, 2016.
Mots clés/Keywords
Friction quantique
Quantum friction
Interférométrie de Mach-Zehnder dans le régime Hall quantique fractionnaire
The graphene Mach-Zehnder interferometer in the fractional quantum Hall regime

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

ROULLEAU Preden
+33 1 69 08 73 11

Résumé/Summary
Réalisation du premier interféromètre Mach Zehnder en régime d'effet Hall quantique fractionnaire, afin d'étudier les statistiques anyoniques des quasi-particules fractionnaires.
Realization of the first Mach Zehnder interferometer in the fractional quantum Hall effect regime, to study the anyonic statistics of fractional quasiparticles.
Sujet détaillé/Full description
Le domaine de l'optique quantique électronique repose sur l'analogie entre la propagation des électrons dans un conducteur quantique et celle des photons dans les expériences d'optique quantique. Ce domaine de recherche est apparu à la fin des années 90 avec la possibilité de manipuler des faisceaux d'électrons dans des systèmes de matière condensée tout en préservant leur nature onde-particule. Depuis lors, il a permis d'acquérir une compréhension fondamentale de l'électronique quantique jusqu'à l'excitation d'une seule particule. Les systèmes prototypes de l'optique quantique électronique sont des conducteurs bidimensionnels dans le régime de l'effet Hall quantique. Ce régime est atteint sous un fort champ magnétique perpendiculaire et est caractérisé par l'existence de canaux électroniques unidimensionnels, chiraux et sans dissipation se propageant le long des bords de l'échantillon. Ces canaux de bord (à effet Hall quantique) peuvent être directement considérés comme l'analogue des fibres optiques pour les électrons. Alors qu'une grande majorité de ces expériences ont été réalisées dans des hétérostructures semi-conductrices telles que GaAs/GaAlAs, le graphène a récemment fait l'objet d'une attention soutenue. En effet, non seulement le graphène présente une physique riche et nouvelle dans le régime de Hall quantique, mais il offrirait également des propriétés de cohérence largement supérieures, permettant d'envisager des expériences plus complexes qui pourraient conduire au développement de schémas de traitement de l'information quantique basés sur le contrôle des trajectoires quantiques de charges uniques dans un circuit.

Notre équipe a récemment réussi à développer le premier interféromètre Mach-Zehnder accordable en graphène [1,2]. Il nous a permis d'étudier les propriétés de cohérence du graphène [3] mais aussi de détecter des magnons [4]. Dans ce stage, nous proposons de réaliser le premier interféromètre Mach Zehnder dans l'effet Hall quantique fractionnaire, afin d'étudier les statistiques anyoniques des quasi-particules fractionnaires.

[1] Quantum Hall valley splitters and a tunable Mach-Zehnder interferometer in graphene, M. Jo, P. Brasseur, A. Assouline, G. Fleury, H. -S. Sim, K. Watanabe, T. Taniguchi, W. Dumnernpanich, P. Roche, D. C. Glattli, N. Kumada, F. D. Parmentier, and P. Roulleau, Phys. Rev. Lett. 126, 146803 (2021) – Editor’s suggestion – Featured in Physics.
[2] Physics / Optics bench on a graphene flake
[3] Scaling behavior of electron decoherence in a graphene Mach-Zehnder interferometer, M. Jo, June-Young M. Lee , A. Assouline, P. Brasseur, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Roche, D.C. Glattli, N. Kumada, F.D. Parmentier, H.-S. Sim and, P. Roulleau, submitted (2021).
[4] Excitonic nature of magnons in a quantum Hall ferromagnet, A. Assouline, M. Jo, P. Brasseur, K. Watanabe, T. Taniguchi, T.Jolicoeur, D.C. Glattli, N. Kumada, P. Roche, F. D. Parmentier, & P. Roulleau
Accepted at Nature Physics (2021) - arXiv:2102.02068.
The field of electron quantum optics relies on the analogy between the propagation of electrons in a quantum conductor and that of photons in quantum optics experiments. This research field emerged in the late nineties with the possibility of manipulating electron beams in condensed matter systems while preserving their wave-particle nature. It has proven since then to grant a fundamental understanding of quantum electronics down to the single-particle excitation. The prototypical systems of electron quantum optics are two-dimensional conductors in the quantum Hall effect regime. This regime is reached under strong perpendicular magnetic field and is characterized by the existence of one-dimensional, chiral and dissipationless electronic channels propagating along the edges of the sample. Those (quantum Hall) edge channels can be directly viewed as the analog of optical fibers for electrons. While a large majority of these experiments have been performed in semiconductor heterostructures such as GaAs/GaAlAs, graphene has recently become the subject of intense attention. Indeed, not only does graphene present a rich, new physics in the quantum Hall regime, but it is also thought to offer vastly superior coherence properties, allowing to envision more complex experiments that could lead to the development of quantum information processing schemes based on the control of the quantum trajectories of single charges in a circuit.

Our team recently succeeded to develop the first tunable Mach-Zehnder interferometer in graphene [1,2]. It enabled us to study graphene coherence properties [3] but also to detect magnons [4]. In this internship, we propose to realize the first Mach Zehnder interferometer in the fractional quantum Hall effect, to study the anyonic statistics of fractional quasiparticles.

[1] Quantum Hall valley splitters and a tunable Mach-Zehnder interferometer in graphene, M. Jo, P. Brasseur, A. Assouline, G. Fleury, H. -S. Sim, K. Watanabe, T. Taniguchi, W. Dumnernpanich, P. Roche, D. C. Glattli, N. Kumada, F. D. Parmentier, and P. Roulleau, Phys. Rev. Lett. 126, 146803 (2021) – Editor’s suggestion – Featured in Physics.
[2] Physics / Optics bench on a graphene flake
[3] Scaling behavior of electron decoherence in a graphene Mach-Zehnder interferometer, M. Jo, June-Young M. Lee , A. Assouline, P. Brasseur, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Roche, D.C. Glattli, N. Kumada, F.D. Parmentier, H.-S. Sim and, P. Roulleau, submitted (2021).
[4] Excitonic nature of magnons in a quantum Hall ferromagnet, A. Assouline, M. Jo, P. Brasseur, K. Watanabe, T. Taniguchi, T.Jolicoeur, D.C. Glattli, N. Kumada, P. Roche, F. D. Parmentier, & P. Roulleau
Accepted at Nature Physics (2021) - arXiv:2102.02068.
Compétences/Skills
Champ magnétique élevé (14 T), basse température (10 mK), graphène.
High magnetic field (14 T), low temperature (10 mK), graphene.
Matériau photochromique pour le calcul neuromorphique optique
Photochromic material for optical neuromorphic computing

Spécialité

Optoélectronique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20/04/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

CHARRA Fabrice
+33 1 69 08 97 22/19 76

Résumé/Summary
L'objectif du stage de master 2 est de caractériser les capacités de commutation optique d'un film mince de polymère d'azobenzène et d'évaluer la faisabilité de sa mise en oeuvre en tant que synapse optique en calcul neuromorphique.
The goal of the master project is to characterize the optical-switching capabilities of an azobenzene polymer thin film and assess the feasibility of its implementation as an optical synapse in neuromorphic computing.
Sujet détaillé/Full description
Le projet de master est ouvert dans le cadre d'un projet pluridisciplinaire (ANR et Labex NanoSaclay) consacré à l'exploration de l'apport possible des matériaux photochromiques dans le calcul optique neuromorphique. Aux côtés du Service de Physique de l'État Condensé (SPEC, CEA-Saclay, site de l'Orme des Merisiers), le projet implique des équipes de l'ENS Paris-Saclay pour le développement de matériaux photochromiques et du C2N pour leur mise en oeuvre dans des réseaux optiques neuronaux. L'objectif du projet de master est de caractériser les caractéristiques photophysiques et de commutation optique d'un film mince à base d'un polymère photochromique commercial. Le matériau sera implémenté dans une synapse optique artificielle modèle pour la connexion pondérée de deux neurones optiques.

Les principales missions du projet de master sont :
- Le dépôt de films minces de polymères photochromiques.
- La mesure des changements d'indice photoinduits transitoires dans le film polymère.
- L'analyse par AFM des motifs photo-induits formés à la surface du polymère.

Ces données permettront de concevoir une configuration optimisée pour une interconnexion optique contrôlée par la lumière (modèle de synapse optique) entre deux microlasers IR (modèles de neurones optiques). Le projet de master sera mené en étroite collaboration avec les partenaires du programme de recherche, et sera suivi d'une thèse de 3 ans avec un financement déjà acquis de ANR.
The master project is open in the framework of a multidisciplinary project (ANR and NanoSaclay Labex) devoted to exploring the possible input of photochromic materials in neuromorphic optical computing. Beside the "Service de Physique de l'État Condensé" (SPEC, CEA-Saclay, Orme des Merisiers site) the project involves teams from ENS Paris-Saclay for photochromic material development and C2N for implementation into neuronal optical networks. The goal of the master project is to characterize the photophysical and optical-switching characteristics of a thin-films based on a commercial photochromic polymer. The material will be implemented in a model artificial optical synapse for the weighted connection of two optical neurons.

The main duties of the master project are:
- Processing of photochromic polymer thin-film.
- Characterization of transient photoinduced index changes in the polymer film.
- AFM analysis of photoinduced patterns formed on the polymer surface.

These data will permit the design of an optimized configuration for a light-controlled optical interconnection (model optical synapse) between two IR microlasers (model optical neurons). The master project will be conducted in close collaboration with the partners of the research program and will be followed by a 3-years thesis with funding secured by ANR.
Mots clés/Keywords
Photonique, Physique de l'état condensé, Sciences des matériaux
Photonics, Condensed mater physics, Material sciences
Compétences/Skills
Microspectroscopie laser, Microscopie à force atomique (AFM), Dépôt de films polymère par centrifugation.
Laser microspectroscopy, Atomic-Force Microscopy (AFM), Spin-coating of polymer thin films.
Logiciels
Python
Mesure et réduction des champs de fuite de capteurs magnétiques magnétorésistifs
Measurement and reduction of stay fields emitted by magnetoresistive magnetic sensors

Spécialité

PHYSIQUE

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’étudier les champs de fuite émis par des capteurs à magnétorésistance géante (GMR) en combinant des mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique, et d’optimiser la structure des capteurs afin de les implémenter dans des microscopes magnétiques haute sensibilité.
The aim of the internship is to study the stray fields emitted by giant magnetoresistance (GMR) sensors by combining magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements, and to optimize the structure of the sensors in order to implement them in high-sensitivity magnetic microscopes.
Sujet détaillé/Full description
Un capteur à magnétorésistance géante est composé schématiquement de deux couches magnétiques séparées par un espaceur (M1/E/M2). L'une des couches (M1) est libre de suivre le champ magnétique à détecter pendant que l'aimantation de l'autre couche (M2) est fixe. L'effet de magnétorésistance géante ou tunnel induit une variation de la résistance en fonction de l'angle entre les aimantations des 2 couches permettant ainsi une détection du champ par la variation de résistance.

Le but du stage est d'étudier et de réduire les champs de fuite émis par les aimantations des deux couches magnétiques. En effet ces champs de fuite peuvent créer des perturbations sur le système à étudier, dans le cas de cartographie magnétique par exemple, et rendre les performances des GMR fortement dépendantes de leur taille.

Durant le stage plusieurs techniques seront utilisées afin de mesurer les champs de fuite des capteurs : mesures de magnétométrie, de magnétotransport et de cartographie magnétique. Les champs de fuite des capteurs pourront être réduits en travaillant sur la structure et l'empilement des couches magnétiques qui est dans la pratique plus complexe que celui présenté schématiquement (M1/E/M2). Les dépôts seront réalisés par pulvérisation cathodique, puis les structures seront fabriquées par lithographie UV afin de pouvoir les caractériser.
A giant magnetoresistance sensor is schematically composed of two magnetic layers separated by a spacer (M1/E/M2). One of the layers (M1) is free to follow the magnetic field to be detected while the magnetization of the other layer (M2) is fixed. The effect of giant magnetoresistance or tunneling induces a variation of the resistance according to the angle between the magnetizations of the 2 layers allowing a detection of the field by the variation of resistance.

The aim of the internship is to study and reduce the stray fields emitted by the magnetizations of the two magnetic layers. Indeed, these stray fields can create disturbances on the system to be studied, in the case of magnetic mapping for example, and make the performance of GMRs strongly dependent on their size.

During the internship, several techniques will be used to measure the stray fields of the sensors: magnetometry, magnetotransport and magnetic mapping measurements. Sensor stray fields can be reduced by working on the structure and stacking of the magnetic layers, which is in practice more complex than the one presented schematically (M1/E/M2). The depositions will be made by sputtering, then the structures will be fabricated by UV lithography in order to be able to characterize them.
Compétences/Skills
Pulvérisation cathodique, magnétotransport, magnétométrie VSM, cartographie magnétique (MFM)
Sputtering, magnetotransport, VSM magnetometry, magnetic mapping (MFM).
Miniaturisation d'un test de diagnostic précoce à base de capteurs GMR
Miniaturisation of an early diagnostic test based on GMR sensors

Spécialité

Électronique embarquée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Ingenieur

Unité d'accueil

Candidature avant le

30/04/2022

Durée

12 mois

Poursuite possible en thèse

non

Contact

JASMIN-LEBRAS Guenaelle
+33 1 69 08 65 35

Résumé/Summary
Stage ingénieur dans le cadre d'un projet dont le but est de miniaturiser la partie acquisition et traitement du signal d'une biopuce à base de capteurs GMR, afin qu'elle puisse être développée en tant que test de diagnostic terrain, transportable au chevet du patient.
The aim of this project is to miniaturise the acquisition and signal processing part of a GMR sensor-based biochip so that it can be developed as a Point of Care diagnostic test.
Sujet détaillé/Full description
Le développement de techniques de diagnostic précoce, à la fois rapide, sensible, transportable au chevet du patient et peu coûteux est un vrai défi dans le domaine de la santé mais également dans celui de la défense ou de l'environnement. L'Organisation Mondiale de la Santé a d'ailleurs défini des critères (ASSURED) auxquels doivent répondre les tests de diagnostic terrain ce qui prouve le réel besoin en terme de santé publique. La pandémie mondiale depuis un an a également montré la nécessité d'avoir de tels tests. Dans ce contexte, nous proposons une biopuce brevetée, à base de capteurs GMR (Giant MagnetoResistance) disposés face à face de part et d'autre du canal, pour détecter des objets biologiques (bactéries, cellules) en très faible quantité, dans des matrices complexes sans étape de lavage préalable. L'approche proposée est très innovante. Elle est basée sur l'utilisation de nanoparticules magnétiques fonctionnalisées par des anticorps monoclonaux produits au LERI (Laboratoire d'Etudes et Recherches en Immunoanalyse), dirigés contre les objets biologiques cibles. La détection dynamique de ces derniers, après interaction avec les nanoparticules magnétiques, est réalisée grâce à des capteurs à magnétorésistance géante (capteurs GMR) développés au LNO (Laboratoire Nanomagnétisme et Oxydes) qui permettent de compter un à un les objets biologiques magnétiquement marqués. Les résultats sont très prometteurs puisque nous atteignons des sensibilités équivalentes à celles obtenues sur le même modèle biologique avec un test ELISA ou par cytométrie en flux. Il est nécessaire de rendre ce test de diagnostic transportable, dans un premier temps dans les bâtiments à haut risque biologique mais également vers des laboratoires, ou plus tard au chevet du patient et sur le terrain.

Au cours de ce stage, avec nos collègues du LETS (CEA/SPEC), l'étudiant miniaturisera la partie acquisition et traitement du signal. L'ensemble prévu comprendra un processeur embarqué ARM STM32, la numérisation des signaux utilisera des convertisseurs analogiques numériques 16 bits. Le traitement du signal sera développé sur microcontrôleur ou DSP voire FPGA. Le programme d'analyse des coïncidences (signaux obtenus simultanément par les capteurs disposés face à face de part et d'autre du canal) sera exécuté en temps réel en mode flux sur les signaux. Il sera testé à partir des fichiers de données obtenus lors des expériences réalisées avec la biopuces GMR sur les bactéries. Le système devra être développé pour fonctionner en étant connecté à un PC par un port USB, ou en mode autonome avec un écran permettant d'afficher les résultats. L'étudiant devra également réfléchir à la conception d'un nouvel aimant permanent homogène compact pour rendre la biopuce facilement transportable.
The development of early diagnosis techniques that are fast, sensitive, transportable to the patient's bedside and inexpensive is a challenge in the field of health, but also in the field of defense or the environment. The World Health Organisation has defined criteria (ASSURED) that field diagnostic tests must meet, which proves the real need in terms of public health. The global pandemic of the last year has also shown the need for such tests. In this context, we propose a patented biochip, based on GMR (Giant MagnetoResistance) sensors arranged face to face on either side of the channel, to detect biological objects (bacteria, cells) in very small quantities, in complex matrices without a prior washing step. The proposed approach is very innovative. It is based on the use of magnetic nanoparticles functionalized by monoclonal antibodies produced at the LERI (Laboratoire d'Etudes et Recherches en Immunoanalyse), directed against the target biological objects. The dynamic detection of the latter, after interaction with the magnetic nanoparticles, is carried out using giant magnetoresistance sensors (GMR sensors) developed at the LNO (Nanomagnetism and Oxides Laboratory), which make it possible to count the magnetically marked biological objects one by one. The results are very promising since we are reaching sensitivities equivalent to those obtained on the same biological model with an ELISA test or by flow cytometry. There is a need to make this diagnostic test transportable, initially in high biohazard buildings but also to laboratories, or later at the bedside and in the field.

During this internship, with our colleagues from LETS (CEA/SPEC), the student will miniaturize the acquisition and signal processing part. The planned assembly will include an ARM STM32 embedded processor, the digitization of the signals will use 16-bit analogue to digital converters. The signal processing will be developed on a microcontroller or DSP or even FPGA.

The coincidence analysis program (signals obtained simultaneously by the sensors arranged face to face on either side of the channel) will be executed in real time in flow mode on the signals. It will be tested using the data files obtained from the GMR microarray experiments on bacteria. The system should be developed to run connected to a PC via a USB port, or in stand-alone mode with a screen to display the results.

The student will also have to consider the design of a new compact homogeneous permanent magnet to make the biochip easily transportable.
Mots clés/Keywords
Traitement du signal et traitement des données, magnétisme, technosanté.
Compétences/Skills
Électronique, traitement du signal, programmation.
Logiciels
Python, C.
Optimisation de structures vortex pour des applications de capteurs magnétique
Optimization of vortex structures for magnetic sensor applications

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+4/5

Formation

Ingenieur/Master

Unité d'accueil

Candidature avant le

10/05/2022

Durée

6 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

SOLIGNAC Aurelie
+33 1 69 08 95 40

Résumé/Summary
Le but du stage est d’optimiser les structures vortex composant des capteurs à magnétorésistance tunnel à l’aide de simulations micromagnétiques et de mesures par microscopie à force magnétique (MFM)
The goal of the internship is to optimize the vortex structures of tunnel magnetoresistance sensors using micromagnetic simulations and MFM magnetic measurements.
Sujet détaillé/Full description
Les capteurs magnétiques à magnétorésistance tunnel sont des capteurs très sensibles pouvant détecter des champs de l’ordre du nT. Ils sont actuellement utilisés dans de nombreuses applications, par exemple, l’automobile, la détection biologique, la magnéto-physiologie, la microscopie magnétique, les disques durs, … Des structures vortex peuvent être intégrées dans ce type de capteurs afin d’étendre la gamme de linéarité des capteurs ce qui est très intéressant pour les applications, par exemple les capteurs de courant.
Le but du stage est d’étudier cet état vortex en combinant des simulations et des mesures MFM (Magnetic Force Microscope). Les simulations seront réalisées avec le logiciel de micromagnétisme MUMAX3 et permettront de mieux comprendre l’état magnétique des vortex. Ces simulations seront comparées aux images réalisées par MFM, qui donnent accès aux champs de fuite perpendiculaires émis par les vortex.
Ces structures seront ensuite intégrées dans des capteurs magnétiques et les performances de ces capteurs seront étudiées par mesures de magnétotransport et de bruit.
Magnetic sensors with tunnel magnetoresistance are very sensitive sensors that can detect fields in the nT range. They are currently used in many applications, for example, automotive, biological detection, magneto-physiology, magnetic microscopy, hard disks, ... Vortex structures can be integrated in this type of sensors in order to extend the range of linearity of the sensors, which is very interesting for applications, for example for current sensors.
The goal of the internship is to study this vortex state by combining simulations and MFM (Magnetic Force Microscope) measurements. The simulations will be performed with the MUMAX3 micromagnetism software and will allow a better understanding of the magnetic state of vortices. These simulations will be compared to the images made by MFM, which allows to detect the perpendicular stray fields emitted by the vortices.
These structures will then be integrated into magnetic sensors and the performance of these sensors will be studied through magnetotransport and noise measurements.
Mots clés/Keywords
Vortex, micro-magnétisme, capteur magnétique
Vortex, micro-magnetism, magnetic sensor
Compétences/Skills
Simulations, MFM et mesures de magnéto-transport
Simulations, MFM and magneto-transport measurements
Physique statistique des réseaux et circuits matières dans les scénarios de transition énergétique
Statistical physics of networks and material circuits in energy transition scenarios

Spécialité

Physique statistique

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

20/04/2022

Durée

4 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Bercegol Herve
+33 1 69 08 74 37

Résumé/Summary
Dans le contexte de la transition énergétique en cours, il s'agit de développer des modèles de physique statistique appliqués à la compréhension et la prévision de l'évolution des réseaux d'énergie.
In the context of the ongoing energy transition, the aim is to develop statistical physics models applied to the understanding and forecasting of the evolution of energy networks.
Sujet détaillé/Full description
La transition énergétique est en marche, impliquant ou supposant des modifications majeures des réseaux d’énergie ainsi que de l’utilisation des matières, à l’échelle locale comme au niveau du globe. La physique statistique a été souvent utilisée pour l’étude de la stabilité des réseaux électriques, voire du couplage entre réseaux. Nous proposons de l’utiliser ici pour étudier l’évolution des réseaux et des infrastructures associées, du point de vue géométrique et de celui de la répartition spatiale des matières.
Peut-on définir les caractéristiques du réseau physique – ou des différents réseaux – rendant possible la transition ?
Peut-on définir une répartition optimale du stockage d’énergie, et suivant quels critères ?
Quelle interaction des stocks et des flux de matière : flux nécessaires pour maintenir le réseau et l’infrastructure, stocks nécessaires pour un stockage énergétique fiable rendant le système robuste, et suffisamment distribué pour permettre une répartition pertinente et efficace des matières ?
En s’appuyant sur plusieurs décennies d’étude du rôle clé joué par la consommation d’énergie et la transformation des matières dans l’économie, et en se basant sur une analyse approfondie du système existant, en termes de connaissances logistiques empiriques aussi bien qu’en termes de physique statistique, cette thèse établira une modélisation des réseaux d’énergie et de matière couplés : un des objectifs du modèle sera d’évaluer les différentes évolutions, possibles, probables et/ou souhaitables, en terme d’efficacité (énergie et matière), stabilité et robustesse.
Cette thèse, à l’interface entre physique et économie, sera suivie par un comité scientifique inter-institut (DRF/Iramis, DRF/Irfu et DES/I-Tésé).
The energy transition is underway, involving or implying major changes in energy networks as well as in the use of materials, at the local and global scales. Statistical physics has often been used to study the stability of electrical networks, and even the coupling between networks. We propose to use it here to study the evolution of networks and associated infrastructures, from the geometrical point of view and from the point of view of the spatial distribution of materials.
Can we define the characteristics of the physical network - or of the different networks - that make the transition possible?
Can we define an optimal distribution of energy storage, and according to what criteria?
What is the interaction between stocks and flows of materials: flows needed to maintain the network and the infrastructure, stocks needed for a reliable energy storage making the system robust, and sufficiently well distributed to allow a relevant and efficient distribution of materials?
Based on several decades of study of the key role played by energy consumption and material transformation in the economy, and on a thorough analysis of the existing system, in terms of empirical logistical knowledge as well as statistical physics, this thesis will establish a model of the coupled energy and material networks: one of the objectives of the model will be to evaluate the different possible, probable and/or desirable evolutions, in terms of efficiency (energy and material), stability and robustness.
This thesis, at the interface between physics and economics, will be followed by an inter-institute scientific committee within CEA (DRF/Iramis, DRF/Irfu and DES/I-Tésé).
Mots clés/Keywords
Réseaux, stockage d'énergie, transition énergétique, relation énergie-matière
Networks, energy storage, energy transition, matter-energy relation
Compétences/Skills
Modélisation mathématique, Calculs numériques, Statistical physics
Mathematical modelling Numerical programming Statistical physics
Logiciels
C Python Mathematica etc...
Transport quantique de chaleur dans les moirés de graphène
Quantum thermal transport in Moire systems

Spécialité

Physique de la matière condensée

Niveau d'étude

Bac+5

Formation

Master 2

Unité d'accueil

Candidature avant le

29/04/2022

Durée

3 mois

Poursuite possible en thèse

oui

Contact

Parmentier Francois
+33 1 69 08 47 92

Résumé/Summary
L'objectif de ce projet est d'explorer les propriétés de transport thermique d'états quantiques exotiques apparaissant dans le graphène en présence d'un potentiel de moiré. Ce potentiel est créé en ajustant finement l'angle d'alignement entre plusieurs matériaux bidimensionnels (graphène / graphène, graphène / nitrure de bore, etc.) empilés artificiellement les uns sur les autres.
The objective of this project is to explore the thermal transport properties of exotic quantum states arising in graphene in presence of a moire potential. This potential is created by fine-tuning the alignment angle between several two-dimensional materials (graphene / graphene, graphene / boron nitride, etc) artificially stacked one onto another.
Sujet détaillé/Full description
Les systèmes à moiré de graphène, dans lesquels un cristal de graphène est aligné avec un autre matériau bidimensionnel, sont récemment apparus comme une plateforme extrêmement riche permettant d'explorer une nouvelle physique liée à la topologie et aux fortes corrélations électroniques. Cette physique donne lieu à des phases électriquement isolantes, parfois accompagnées de canaux de conduction électronique sans dissipation circulant le long des bords de l'échantillon. La plupart des informations expérimentales disponibles sur ces phases proviennent de mesures de transport électrique, qui sont fondamentalement limitées lorsqu'on traite de systèmes électriquement isolants. Nous proposons d'utiliser les mesures de transport thermique, récemment développées dans le groupe Nanoélectronique, pour explorer les propriétés cachées de ces systèmes, comme la présence de modes collectifs sans charge transportant de la chaleur (et donc de l'information) à travers l'échantillon. Ce projet fait appel à des techniques expérimentales très avancées, telles que la fabrication d'hétérostructures van der Waals en graphène, des mesures à ultra-basse température et une thermométrie de bruit à haute sensibilité.
Graphene moire systems, in which a crystal of graphene is aligned with another two-dimensional material, have recently emerged as an extremely rich platform in which to explore new physics linked to topology and strong electronic correlations. This physics gives rise to electrically insulating phases, sometimes accompanied by dissipationless electronic conduction channels circulating along the edges of the sample. Most of the available experimental information about these phases stem from electrical transport measurement, which are fundamentally limited when one deals with electrically insulating systems. We propose to use heat transport measurements, recently developed in the Nanoelectronics group, to explore the hidden properties of those systems, such as the presence of chargeless collective modes carrying heat (and thus, information) across the sample. This project involves highly advanced experimental techniques, such as state of the art graphene van der Waals heterostructures fabrication, ultra-low temperature measurements, and high-sensitivity noise thermometry.
Mots clés/Keywords
Graphène, effet Hall quantique
Graphene, quantum Hall effect
Compétences/Skills
Nanofabrication - Cryogénie - Mesures bas bruit
Nanofabrication - Cryogenics - Low-noise measurements

 

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