Les sujets de thèses

Les dernières décennies de recherches dans le domaine de la matière condensée ont vu l'émergence d'une physique riche et nouvelle, fondée sur la notion de "liquides de spin". L'intérêt pour ces nouveaux états de la matière provient du fait qu’ils présentent une intrication quantique à grande échelle, une propriété par ailleurs fondamentale pour le calcul quantique. De par sa nature qui exploite directement cette notion d’intrication, un ordinateur quantique permettrait des approches révolutionnaires par rapport aux ordinateurs classiques, pour résoudre rapidement certaines classes de problèmes.

L’étude des liquides de spin rejoint donc de très forts enjeux technologiques et le but de ce projet de thèse est de participer à cet effort de recherche fondamentale.

Le sujet central de la thèse est une forme de matière récemment proposée, appelée altermagnétisme. Comme les antiferromagnétiques simples, il s'agit de matériaux magnétiques qui présentent un ordre magnétique à longue portée sans moment net. Dans les antiferromagnétiques simples, les bandes électroniques de spin up et down sont dégénérées. Mais dans les altermagnétiques, elles ne le sont pas. Une façon de considérer ces matériaux est de dire qu'ils sont non magnétiques dans l'espace réel mais magnétiques dans l'espace des quantités de mouvement, combinant ainsi les caractéristiques des ferromagnétiques et des antiferromagnétiques. Ces matériaux ont suscité un grand intérêt dans la communauté de la spintronique. Celle-ci s'intéresse depuis longtemps aux antiferroaimants car ils sont insensibles aux champs parasites et peuvent permettre une commutation plus rapide que les ferroaimants classiques. Les altermagnétiques ont le potentiel de réaliser les rêves de la spintronique antiferromagnétique. Parallèlement, les altermagnétiques présentent un intérêt fondamental en physique de la matière condensée. Il s'avère que l'altermagnétisme est fondé sur un type particulier de brisure de symétrie décrit par la théorie des groupes de spin.

L'objectif de ce projet de thèse est d'étendre notre compréhension des groupes de spin en matière condensée, en particulier dans la direction de l'altermagnétisme et des matériaux topologiques.

La communauté française de diffusion neutronique propose de construire une nouvelle source de diffusion neutronique de type HiCANS, High-Current Accelerator-driven Neutron Source. Une telle source utiliserait un accélérateur de proton de basse énergie, quelques dizaines de MeV, pour produire des neutrons thermiques et froids et alimenter une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres. L’objectif du projet de thèse est de construire une description multi-échelle du fonctionnement d’un appareil de diffusion neutronique allant de la description des processus microscopiques de modération des neutrons et des interactions des neutrons avec la structure atomique et la dynamique des échantillons en passant par la propagation des neutrons à travers des éléments optiques avancés et la production de particules secondaires créant du bruit de fond. L’objectif final et de pouvoir réaliser des expériences de diffusion neutroniques virtuelles et de prédire de manière aussi fine que possible les performances des instruments sur la future source ICONE.

Depuis quelques années, les matériaux fonctionnels à haute entropie constituent un domaine de recherche en pleine expansion, du fait de leurs propriétés très prometteuses pour un grand nombre d’applications, notamment dans le domaine de l’énergie. On peut citer, par exemple, les constantes diélectriques colossales observées pour plusieurs compositions et structures ouvrant la voie à des applications dans des condensateurs ou supercondensateurs, de nouvelles compositions à fort potentiel pour des anodes de batteries lithium ou comme électrolyte solide, ou des propriétés catalytiques ou photocatalytiques encourageantes pour la production de dihydrogène. Ils sont également très étudiés pour leur potentiel applicatif dans des dispositifs de barrière thermique ou de conversion d’énergie par effet thermoélectrique, du fait des très faibles valeurs de leur conductivité thermique. En effet, il a été montré que leur désordre chimique et structural intrinsèque permet de réduire fortement la conductivité thermique par comparaison avec leurs composés parents.

A l’heure actuelle, si de nombreux travaux ont rapporté des mesures de conductivité thermique d’oxydes à haute entropie cristallisant dans des structures très variées, le nombre d’études consacrées à la compréhension des mécanismes du transport thermique dans ces matériaux est extrêmement limité, et aucune publication n’a rapporté jusqu’ici d’étude de leur dynamique de réseau. Dans ce contexte, l’objectif principal de ce projet de thèse est d’étudier de manière systématique les liens entre désordre chimique et structural et le transport thermique d’oxydes à haute entropie, en s’appuyant sur l’étude expérimentale de leur dynamique de réseau. Cette étude permettra d’une part d’obtenir une meilleure compréhension des propriétés physiques de cette classe de matériaux sur un plan fondamental, ce qui permettra sur un plan plus applicatif d’obtenir des voies d’optimisation de leurs propriétés de transport thermique, par exemple pour des applications thermoélectriques ou comme barrières thermiques.