Service de Physique de l'Etat Condensé

La thermoélectricité, la capacité d'un matériau à convertir la chaleur en énergie électrique, est connue dans les liquides depuis plusieurs décennies. Contrairement aux solides, ce processus de conversion dans les liquides prend plusieurs formes, notamment les réactions thermo-galvaniques entre les ions redox et les électrodes, la thermodiffusion d'espèces chargées et la formation d'une double couche électrique aux électrodes qui varie en fonction de la température. Les valeurs observées du coefficient Seebeck (Se = - DV/DT, le rapport entre la tension induite (DV) et la différence de température appliquée (DT)) sont généralement supérieures à 1 mV/K, un ordre de grandeur plus élevé que celles trouvées dans les semi-conducteurs solides. Le premier exemple fonctionnel d'un générateur thermoélectrique (TE) à base de liquide a été rapporté en 1986 en utilisant des sels redox de ferro/ferricyanure dans l'eau. Cependant, dû à la faible conductivité électrique des liquides l’efficacité de conversion était très faible, ce qui empêchait leur utilisation dans des applications de récupération de la chaleur perdue à basse température.



Les perspectives des générateurs TE-liquides se sont améliorés au cours de la dernière décennie avec le développement des liquides ioniques (LI). Les LI sont des sels fondus qui sont liquides en dessous de 100 °C. Par rapport aux liquides classiques, ils présentent de nombreuses caractéristiques favorables telles que des points d'ébullition élevés, une faible pression de vapeur, une conductivité ionique élevée, une faible conductivité thermique et aussi des valeurs de Se plus élevées. Plus récemment, une étude expérimentale menée par l’IJCLab et le SPEC a révélé que la complexation de couples redox de métaux de transition dans des liquides ioniques peut conduire à une hausse de leur coefficient Se significative de -1,6 à -5,7 mV/K, l'une des valeurs les plus élevées rapportées dans les cellules thermoélectriques à base de LI. Une compréhension électrochimique et physicochimique, et un contrôle précis de la spéciation des ions métalliques présentent sont nécessaire pour la conception rationnelle de la future technologie thermo-électrochimique.



Basé sur ces récentes découvertes, nous proposons une étude systématique de la chimie de coordination des ions redox de métaux de transition dans les liquides ioniques et les mélanges combinant des technique électrochimique et thermoélectrique. L’objectif à long terme associé à cette étude est de démontrer le potentiel d'application des cellules thermo-électrochimiques liquides basées sur des matériaux abordables, abondants et sans danger pour l'environnement pour la récupération d'énergie thermique comme outil d'efficacité énergétique.

La consommation d'énergie des dispositifs informatiques est due 1) à la partie calcul, 2) aux accès à la mémoire et 3) à la logique de commande. La partie calcul augmente en raison de l'accroissement du volume des données et de la complexité algorithmique, ce qui affecte également la logique de commande et les accès à la mémoire. Certains paradigmes de calcul permettent de réduire légèrement les accès mémoire : le calcul en mémoire et le traitement en flux. Le premier intègre les éléments de calcul directement dans la mémoire, ce qui permet d'économiser les accès en lecture-écriture avant et après le calcul puisque celui-ci peut être effectué à la volée. La seconde traite les données directement dans le chemin de données ou dans un bus, en mode flux de données, sans nécessiter d'accès à une quelconque mémoire externe. Les deux approches peuvent être combinées. Le Stream Computing permet également la détection comprimée à proximité des capteurs, ce qui permet de traiter en temps réel d'énormes quantités de données sans nécessiter de stockage ni de post-traitement. De cette façon, il constitue un élément clé pour l'économie d'énergie. Nous proposons d'étudier la co-conception du code associé aux architectures informatiques pour obtenir une légère réduction des accès mémoire en combinant le traitement en flux et le calcul en mémoire. Le cas d'utilisation que nous proposons est basé sur la conception d'un processeur de signal numérique programmable utilisé dans l'instrumentation de nouvelle génération (physique quantique, physique nucléaire et des particules, radar) ou le calcul convolutif IA pour détecter des événements ou des caractéristiques qui nécessitent une bande passante de données extrêmement élevée sur plusieurs canaux, typiquement >16 > 4GSPs ; une latence extrêmement faible. L'architecture matérielle, le paradigme de programmation logicielle et l'impact sur la compilation seront étudiés. L'objectif est de développer un nouveau paradigme logiciel/matériel de calcul qui combine le calcul en mémoire et le traitement en flux, le modèle de programmation et la mise en œuvre d'outils de démonstration. Un Proof-of-Concept basé sur un FPGA moderne (Zynq Ultrascale) et un ASIC (partenariat avec CentraleSupelec) est attendu à la fin du doctorat. Ce PoC permettra d'étudier l'impact de différents types de hardwares (aussi bien déjà implémentés dans le FPGA que conçus sur mesure pendant le doctorat) pour obtenir des chiffres de consommation d'énergie.

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



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



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

Le verre est un matériau largement utilisé du fait de ses nombreux avantages : transparence, dureté, faible dilatation thermique, température du point de fusion élevée, relative inertie chimique, etc... Il présente néanmoins une faiblesse majeure : sa fragilité. Des sollicitations relativement modérées peuvent amener sa rupture brutale, sans précurseur annonciateur. Le verre est également sensible au phénomène de corrosion sous contrainte : sous l’influence de certaines conditions environnementales (humidité relative, température, etc…), des sollicitations apparemment anodines (bien plus faibles que celles amenant sa rupture brutale) peuvent conduire à la propagation de fissures à faible vitesse comme observée lors de la fissuration lente des parebrises de voiture. Cette corrosion sous contrainte, dépend aussi de paramètres intrinsèques du verre : composition chimique, microstructure, etc...



Le phénomène de séparation de phase dans les verres conduit à une méso-structuration du matériau pouvant améliorer les propriétés mécaniques telles que la résistance à l’écrasement . Il est également à l’origine des vitrocéramiques, constitués de microcristaux dispersés dans une matrice vitreuse, développées en vue de tirer parti des avantages des deux constituants : céramique et verre. Leur emploi est actuellement répandu, par exemple pour des applications de thermométrie optique, des ustensiles de cuisine, des matériaux dentaires, etc… Cependant, le comportement en corrosion sous contrainte de ce type de matériau reste encore peu étudié.



L’objectif de cette thèse s’inscrit dans la compréhension du lien entre la méso-structure des vitrocéramiques et leur comportement en corrosion sous contraintes. Il s’agira dans un premier temps d’acquérir des données relatives à la rupture de verres démixés en utilisant un dispositif dédié où les conditions environnementales sont contrôlées. Plusieurs compositions de verres présentant une séparation de phase seront étudiées, et dans la mesure du possible, en association avec leur pendant non-démixé (même composition chimique mais recuit thermique différent). La vitesse de fissuration et sa variation avec la contrainte appliquée seront mesurés pour chaque échantillon afin d’obtenir les courbes caractéristiques de résistance à la corrosion sous contraintes. En parallèle, la composition et la méso-structure des échantillons seront étudiées en mettant en œuvre différentes techniques : AFM, SEM, Raman, etc. Une caractérisation post-mortem de la surface de rupture des échantillons sera également menée via de la microscopie à champ proche (AFM, …) et analysée avec différents outils statistiques (modélisation stochastique, analyse fractale).



Ce stage se déroulera au seins du laboratoire SPHYNX du Service de Physique de l’Etat Condensé qui est une unité mixte CEA / CNRS (UMR 3680 CEA-CNRS). Les chercheurs y étudient la physique de la matière condensée, de la physique la plus fondamentale aux applications industrielles. Le stagiaire/doctorant retenu aura l’opportunité de mettre en œuvre des méthodes avancées de caractérisation des matériaux et de leur surface, de l'échelle macroscopique à l'échelle nanométrique. Les approches s'appuieront sur des plateformes expérimentales et des outils théoriques développés en interne. Le candidat aura l’occasion de manipuler les outils théoriques et expérimentaux utilisés dans le domaine de la science des matériaux, de la mécanique et de la physique statistique. Enfin, le caractère à la fois très fondamental et apliqué de cette recherche permettra au candidat de trouver à l’issue de cette expérience des débouchés dans le monde académique (thèse) et dans l’industrie.

L’effet Rashba est bien connu dans la communauté des gaz bidimensionnels d'électrons, et surtout en spintronique où le couplage chiral en spin de la structure de bandes est utilisé pour inter-convertir spin et charge. Dans certains matériaux, il apparait que les effets orbitaux sont largement plus grands que ceux dus aux spins. Nous venons de démontrer que c’est effectivement le cas dans le système LaAlO3/SrTiO3. Il faut maintenant étudier l’effet de l’épaisseur de la barrière de LaAlO3 et des dépendances angulaires. Il est important aussi d'étudier ces phénomènes à l'échelle de la picoseconde ce qui est possible dans notre laboratoire en utilisant des lasers ultra-rapides pour produire des impulsions très courtes de spins purs. Pendant sa thèse, l'étudiant sélectionné réalisera des mesures à froid aux échelles de temps variant du DC (spin Seebeck) à la picoseconde (désaimantation ultra-rapide) sur des échantillons à l’état de l’art venant de l’université de Genève. D'autres échantillons pertinents pour la conversion orbital/charge seront étudiés comme le système Cu/CuO fait au laboratoire.

L'électronique de spin est une physique puissante basée non seulement sur la charge mais aussi sur le spin des électrons. Déjà largement utilisée pour les têtes de lecture des disques durs, elle a connu une mise en œuvre croissante pour la détection des champs magnétiques, en raison de sa sensibilité, de sa miniaturisation et de sa facilité d'intégration au CMOS. Néanmoins, les propriétés de ces capteurs sont jusqu’à présent fixées lors de la fabrication et ne peuvent être modifiées au cours de leur durée de vie. Cette thèse vise à étudier de nouveaux concepts de capteurs magnétiques, intégrant la spinorbitronique (exploitant le spin orbit torque) comme un degré de liberté supplémentaire pour la conception du capteur, permettant de changer ses caractéristiques telles que la direction ou la gamme de sensibilité, ou encore de réduire dynamiquement le bruit, en cours de vie du capteur, le rendant ainsi reconfigurable. Ce concept apportera une nouvelle génération de capteurs intelligents, capables d'être reconfigurés électriquement pendant leur durée de vie.



Sujet détaillé :

L'objectif de cette thèse est de développer des structures de magnétorésistance à effet tunnel (TMR) utilisant le spin orbit torque pour manipuler électriquement l’aimantation et ouvrir la voie à des capteurs magnétiques reconfigurables.

Les capteurs magnétiques permettent de mesurer à la fois le champ magnétique mais aussi des quantités associées, comme le courant ou encore la position d'un objet. Ils sont de plus en plus présents dans les objets technologiques, ainsi que dans les domaines automobile et médical.

L'électronique de spin, dont la démonstration expérimentale a été couronnée par le prix Nobel de physique en 2007 (A. Fert et P. Grünberg), a ouvert des voies d'amélioration importantes pour les capteurs magnétiques grâce à la sensibilité et à la miniaturisation des éléments de base.



Cependant, une limite actuelle vient du fait que le capteur est défini au moment de sa fabrication et que ses caractéristiques (telles que la gamme ou la direction de sensibilité...) sont fixées au départ pendant la fabrication. Grâce au phénomène de spin orbit torque (SOT), qui consiste à appliquer une force magnétique à travers un flux d'électrons polarisés en spin, il est possible d'implémenter dans un élément spintronique une fonction de manipulation de certaines des couches magnétiques, et ainsi d'imaginer un capteur qui puisse s'adapter au cours de son utilisation grâce à la reconfiguration de ses références.



Le projet de thèse consistera à développer des systèmes de magnéto-résistance tunnel (TMR) intégrant un niveau de SOT pour piloter la réponse du capteur, à fabriquer les dispositifs, à tester leurs performances et à les appliquer dans un environnement réaliste pour la détection de courant et pour de la magnétométrie. Cette thèse s'inscrira dans le cadre du projet STORM financé par l'ANR (démarré en décembre 2022), en collaboration avec UMPhy Thales et Crivasense Technologies. Elle comprendra le dépôt de matériaux, leur caractérisation en termes de performances SOT, puis la réalisation de dispositifs par des techniques de microfabrication, et des mesures de magnéto-transport pour évaluer la réponse des capteurs.

Dans le cadre du projet ANR JCJC PlasmonISC, nous proposons un sujet de thèse majoritairement expérimental en nano-photonique. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence d’une nano-antenne (plasmonique, magnétique ou diélectrique) sur le taux régissant la photophysique d'émission de fluorescence d'une molécule unique, avec un intérêt particulier pour le taux de croisement intersystème. Nous avons développé un banc optique dédié combinant microscopie optique et microscopie à force atomique, une procédure expérimentale, ainsi que les outils de traitement du signal, montrant de premiers résultats encourageants avec une pointe diélectrique. Nous souhaitons continuer d'explorer l'interaction molécule unique/nano-antenne avec d'autres type de pointes générant d'autres effets physiques. La possibilité d’influer de manière contrôlée sur le passage à l'état triplet est d’un grand intérêt pour les sources de photons uniques, et pour les diodes électroluminescentes organiques, ainsi qu'en chimie.

La ferroélectricité dans les couches minces de HfO2 dans les conditions de contrainte et de température spécifiques a été découverte il y a dix ans, générant un fort intérêt dans la communauté de la recherche et de développement des technologies émergentes pour les mémoires non-volatiles.



Grâce à la compatibilité CMOS et à son potentiel de mise à l’échelle et d’intégration 3D, la ferroélectricité dans le HfO2 ne représente pas uniquement une percée par rapport aux dispositifs basés sur les matériaux ferroélectriques conventionnels comme les pérovskites, elle constitue une révolution d’un point de vue applicatif.



Par rapport aux technologies Flash, résistive ou changement de phase, les mémoires ferroélectriques sont intrinsèquement de basse consommation d’énergie : commuter la polarisation électrique qui encode l’information, nécessité trois ordres de grandeur moins d’énergie que les technologies concurrentes. La technologie ferroélectrique est également très peu cher d’u point de vue de l’intégration.

Cependant, élever la maturité technologique nécessite une compréhension de l’influence des défauts et de l’interface électrode/ferroélectrique sur la performance électrique.



Nous utiliserons la caractérisation avancée in operando pour tracer une voie pour l’optimisation des dispositifs grâce à l’ingénierie fondamentale des matériaux.

Un microscope magnétique ultrasensible et quantitatif a été développé au Laboratoire de Nanomagnétisme et Oxydes en combinant un microscope sonde locale à balayage de type AFM (Atomic Force Microscope) et un capteur magnétique magnétorésistif (MR) intégré dans un bras de levier AFM. Durant cette thèse, le but est d’investiguer des applications innovantes de ce microscope en utilisant notamment une propriété spécifique des capteurs MR : leur large gamme de fréquence en détection allant du DC à plusieurs centaines de MHz voire le GHz. Ainsi les propriétés de susceptibilité magnétique de particules/matériaux magnétiques pourront être étudiées, notamment dans le cadre de l’utilisation des pétales magnétiques pour des applications de furtivité /absorption RF ou des rubans de nanocristallins pour des applications de conversion électriques. Une deuxième application visée est la magnonique ou l’utilisation des ondes de spin (plutôt que des charges) afin de transporter et traiter l’information avec un minimum de pertes d’énergie. Durant la thèse, les capteurs intégrés seront développés et caractérisés, le microscope et l’électronique de détection du capteur devront être adaptés aux mesures à haute fréquence. Un autre aspect de cette thèse sera à partir des cartographies de champs mesurés de pouvoir remonter aux propriétés magnétiques des matériaux étudiés.

L'objectif de cette thèse est de comprendre et de décrire les mécanismes sous-jacents à l'OER lors de la réaction de photoelectrolyse en réalisant une étude comparative des photoanodes a-Fe2O3 et BiVO4 modifiées par un co-catalyseur. Ce travail de thèse s'articulera autour de plusieurs axes : i) synthèse de photoanodes par des méthodes chimiques sur deux types de substrats (FTO et carbone vitreux) ; ii) caractérisation photoélectrochimique macroscopique : quantification du photocourant, mesure directe de l'hydrogène produit, spectroscopie de l’impédance photoélectrochimique ; iii) caractérisation par spectromicroscopies ex situ de rayons X (STXM et XPEEM utilisant le contraste NEXAFS) au synchrotron SOLEIL (ligne de lumière HERMES). Cette analyse fournira des informations directes sur la composition chimique et l'homogénéité, la morphologie et la structure électronique des photoanodes ; iv) calculs DFT utilisant des codes existants qui permettront de reproduire les caractéristiques NEXAFS à partir des données STXM et XPEEM. En outre, les calculs DFT vont aider à la prédiction de structures électroniques de matériaux d’intérêt par l’optimisation de structures atomiques et à la détermination de réactivité potentielle reliée à l’alignement des niveaux électroniques. L'étudiant sera accueilli au sein du laboratoire SPEC du CEA-Saclay pendant toute la durée de la thèse.

BiFeO3 est un matériau particulier car il comporte deux ordres couplés : une polarisation électrique et un ordre antiferromagnétique. Le couplage magnéto-électrique lui confère une configuration magnétique complexe, chirale, qu’il est possible de voir au synchrotron ou avec une sonde locale adaptée comme l’imagerie utilisant le centre NV du diamant. Au CEA, nous avons aussi développé un code de simulation d’une grande souplesse qui nous permet de prédire les propriétés magnétiques de structures de BiFeO3 contraintes, et même lithographiées et polarisées électriquement dans le but de réaliser des ‘skyrmions’ antiferromagnétiques. Le but de la thèse sera de simuler certaines structures déjà réalisées et d’en imaginer d’autres. Aussi, l'étudiant(e) utilisera un microscope à champ proche en cours de développement au laboratoire pour tenter de mesurer les configuration prédites dans des échantillons de BiFeO3 synthétisés à l'UMR CNRS/Thales.

Ce sujet de thèse s'inscrit dans le cadre d'un projet de recherche en informatique quantique visant à proposer de nouveaux bits quantiques robustes pouvant être interfacés avec les technologies quantiques supraconductrices. Nous explorons les impuretés piégées dans les solides comme des bits quantiques à très longue durée de vie.



Les défauts cristallins des matériaux peuvent être appréhendés comme des ions naturellement piégés dans un environnement cristallin inerte. En raison de leur immobilité et de leur isolement dans le réseau cristallin, les spins électroniques et nucléaires de ces ions présentent d'excellents temps de cohérence, allant de quelques secondes pour les électrons à quelques heures pour les noyaux. Ces systèmes sont donc d'excellents candidats pour le codage d'informations quantiques. Les circuits supraconducteurs constituent l'une des plateformes technologiques les plus abouties en matière de calcul quantique. Les bits quantiques sont codés dans des oscillateurs électromagnétiques artificiels, ils sont facilement contrôlables et intégrables. Cependant, leur temps de cohérence ne dépasse pas quelques centaines de microsecondes et leur fabrication manque de reproductibilité, c'est l'un des principaux obstacles au développement de processeurs de plus de 100 qubits.



Le groupe quantronique, pionnier des circuits supraconducteurs, est engagé dans un projet de recherche à long terme qui vise à interfacer les circuits avec le spin électronique et nucléaire d'un défaut cristallin unique et ainsi combiner la robustesse des éléments naturels avec l'intégrabilité des circuits artificiels. Nous avons récemment démontré pour la première fois la détection et la manipulation d'un spin électronique unique en utilisant un qubit supraconducteur transmon comme détecteur de photons micro-ondes uniques [1,2,3]. Dans cette expérience, le spin unique est transporté par un ion erbium dans un cristal de scheelite présentant un temps de cohérence record de trois millisecondes. Afin d'étendre le temps de cohérence du spin à la deuxième échelle de temps, sa pleine mesure naturelle, nous proposons ici de développer un coupleur supraconducteur accordable, qui peut coupler et découpler le détecteur du spin en quelques dizaines de nanosecondes. Sur la base de ce nouveau coupleur, nous proposons de détecter et de manipuler des spins nucléaires uniques au voisinage de l'ion pour lesquels la cohérence pourrait atteindre des heures.

La physique mésoscopique étudie des systèmes composés de milliards de composantes, et néanmoins se portant comme des entités quantiques uniques. Les nanofils d’isolants topologiques 3D en sont un exemple. Ces derniers abritent sur leur surface des états électroniques à la Dirac, qui à faible température se propagent sous forme d’ondes quantiques cohérentes sur des échelles de plusieurs microns. Leur propriétés de transport sont donc régies par des phénomènes d’interférence quantique. Ces phénomènes sont déterminés et modulés par des champs magnétiques externes ou bien par leur courbure de Berry, comme démontré récemment dans une collaboration avec des expérimentateurs de l'Universitaet Regensburg (Allemagne).



Peu après nous avons également montré que la géométrie d’un nanofil peut dramatiquement changer ses propriétés de transport en présence des champs magnétiques. Un point crucial est que dans des nanofils façonnés les électrons de Dirac se propagent sur une surface courbe, et peuvent donc ressentir des champs gravitationnels effectifs. Ces derniers se manifestent sur des échelles comparables aux échelles quantiques de référence du système, comme dans des trous noirs – sauf qu’un nanofil est réalisable dans un labo, un trou noir pas tout à fait.



Parmi les nombreuses questions ouvertes dans ce domaine en plein croissance, deux en particulier sont centrales pour ce stage: (i) comment les états de surface sont-ils modifiés par la courbure’ (ii) Est-il possible d’identifier une signature dans le transport quantique dûe uniquement aux effets gravitationnels effectifs’ Pour y répondre des méthodes analytiques ainsi que numériques (simulations sur réseau) seront utilisées.

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. Scientists are able to build synthetic active systems using catalytic colloidal particles or micro-robots.

Active 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, where even repulsive but active particles phase separate into dense and dilute phases. In some cases, this phenomena resemble to liquid-vapor phase separation of standard fluids. Due to broken time-reversibility, however, active systems can show novel forms of phase separation, comprising a state where the liquid state comprises mesoscopic vapor bubbles (thus resembling to a boiling liquid), or active foams states, where thin liquid filaments are dispersed in the vapor.

Furthermore, in most experimental realization, active systems are `wet’, meaning that particles move in a fluid which itself can mediate interactions among particles, a feature whose consequences are so far little understood theoretically.



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 PhD is to fill this gap. This will require both analytical and computational work done on agent based models and continuous descriptions of active systems. If successful, the 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.

De nombreuses caractéristiques spatio-temporelles des matériaux biologiques et actifs, de la morphogenèse à la structure des assemblées denses de colloïdes autopropulsés, sont causées et contrôlées par des défauts topologiques. Il peut s'agir de défauts situés au-dessus de cristaux liquides, tels que des couches nématiques ou hexatiques, ou même au-dessus d'un solide cristallin. Les défauts peuvent servir de médiateur à la propagation anormale des contraintes, façonner la courbure des matériaux flexibles sous-jacents, ou même provoquer des transitions de phase entre des états où les défauts sont limités et d'autres où ils peuvent diffuser librement.



Ce projet de thèse vise à comprendre la physique multicorporelle des défauts topologiques dans les matériaux actifs en combinant des techniques analytiques et numériques, et à explorer leur pertinence pour les phénomènes collectifs dans les systèmes actifs et vivants.