Service de Physique de l'Etat Condensé

Lune des architectures les plus prometteuses pour le traitement de linformation quantique à grande échelle est celle qui repose sur des qubits électrodynamiques (bosoniques) supraconducteurs. Ils reposent sur un dispositif élémentaire : la jonction tunnel Josephson, une barrière tunnel entre deux fils supraconducteurs qui présentent un comportement non linéaire et non dissipatif. Les jonctions tunnel Josephson ne sont quun exemple de liens faibles supraconducteurs, parmi lesquels on trouve également des contacts atomiques et des liens faibles de nanofils semi-conducteurs. Dans ces autres exemples, des états fermioniques localisés, connus sous le nom de niveaux dAndreev, peuvent être étudiés. Nous avons récemment réalisé leur spectroscopie [1-4] et leur manipulation quantique [5,6].

Nous proposons ici de concevoir, fabriquer et mesurer de nouveaux qubits hybrides qui combinent les degrés de liberté bosonique et fermionique dans le but de réaliser des états quantiques plus robustes.

Nous recherchons un(e) étudiant(e) fortement motivé(e) ayant une bonne compréhension de la physique quantique. Il/elle sera intégré(e) dans un groupe de recherche actif sur lélectronique quantique et se familiarisera avec les concepts avancés de la mécanique quantique et de la supraconductivité. Il/elle apprendra également plusieurs techniques expérimentales : basses températures, mesures à faible bruit et micro-ondes, et nanofabrication.


[1] L. Bretheau, Ç. Ö. Girit , H. Pothier , D. Esteve , and C. Urbina, “Exciting Andreev pairs in a superconducting atomic contact” Nature 499, 312 (2013). arXiv:1305.4091
[2] L. Tosi, C. Metzger, M. F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier, Sunghun Park, A. Levy Yeyati, J. Nygård, P. Krogstrup, “Spin-Orbit Splitting of Andreev States Revealed by Microwave Spectroscopy”, Phys. Rev. X 9, 011010 (2019).
[3] C. Metzger, Sunghun Park, L. Tosi, C. Janvier, A. A. Reynoso, M. F. Goffman, C. Urbina, A. Levy Yeyati, H. Pothier, “Circuit-QED with phase-biased Josephson weak links”, Phys. Rev. Research 3, 013036 (2021).
[4] F. J. Matute Cañadas, C. Metzger, Sunghun Park, L. Tosi, P. Krogstrup, J. Nygård, M. F. Goffman, C. Urbina, H. Pothier, A. Levy Yeyati, “Signatures of interactions in the Andreev spectrum of nanowire Josephson junctions”, arXiv:2112.05625
[5] C. Janvier et al., “Coherent manipulation of Andreev states in superconducting atomic contacts” Science 349, 1199 (2015), arXiv:1509.03961
[6] C. Meztger, “Spin charge effects in Andreev Bound States”, PhD thesis (2022)

Le but de cette thèse est de réaliser la première mesure expérimentale de l’énergie dissipée dans les couches limites en convection turbulente dans la configuration de Rayleigh-Bénard. En effet, des théories affirment que cette quantité contrôle le flux de chaleur transporté de la paroi chaude vers la paroi froide alors même que l’efficacité du transport turbulent en convection fait l’objet de débats. Les propriétés du transport turbulent sont pourtant essentielles à comprendre pour décrire la dynamique du climat et de nombreux objets astrophysiques.

Pour estimer l’énergie dissipée, il faut pouvoir mesurer la norme du gradient des vitesses. Cette quantité est difficilement accessible avec les techniques d’anémométries classique qui mesurent les champs de vitesse avec une résolution limitée. Ces gradients sont également couteux à obtenir numériquement sur des temps longs. Mais nous avons mis au point une technique de mesure directe de la norme des gradients de vitesse grâce à la Spectroscopie par diffusion multiple. Elle nous permettra de mesurer les structures dissipatives et le taux énergie dissipée dans les couches limites

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 délectricité. Contrairement aux matériaux solides, plusieurs effets TE interdépendants se produisent dans ces fluides, en donnant des valeurs du coefficient thermoélectrique généralement supérieures dun ordre de grandeur à celles des semiconducteurs solides. De plus, les liquides thermoélectriques sont constitués de matières premières abondantes, et ils font lobjet dune 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.

Lobjectif 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 produit. Il sagit de la production de lentropie de transfert dEastman de nanoparticules sous les gradients de concentration, de température et de potentiel électrique. Les résultats seront comparés à leur propriétés thermo-diffusives et absorptions optiques étudiées par ailleurs dans le cadre dactions de collaboration.
- Deuxièmement, le projet vise à utiliser les fluides plus prometteurs dans les capteurs hybrides solaires-thermoélectriques prototypes développés actuellement et de les optimiser pour démontrer leur capacité à cogénérer chaleur et électricité.

Le projet de recherche proposé est principalement expérimental, impliquant des mesures thermoélectriques, thermiques et électrochimiques ; la mise en place dun système dacquisition de données automatisé et lanalyse des données obtenues. Des notions de thermodynamique, de physique des fluides et de physique de lingénierie (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 aussi bien que les mesures dabsorption optique au laboratoire partenaire (LNO/CNR, Florence, Italie) peuvent également être envisagées.

Les matériaux à l’état vitreux présentent un grand intérêt pratique et on les retrouve dans nombre d’applications : les verres de silice comme matériaux pour la construction ou les transports, les matières plastiques qui sont généralement au moins partiellement vitreuses ou les alliages métalliques vitreux pour des applications de pointe. Or les propriétés physiques de ces matériaux (par exemple la solidité d’un écran de téléphone) dépendent du traitement thermique qu’ils ont reçu au cours de leur formation et plus particulièrement de la vitesse de refroidissement à partir de l’état liquide. Si les procédés industriels de fabrication des verres sont évidemment bien maîtrisés, la nature hors-équilibre thermodynamique de ces systèmes rend particulièrement difficile l’investigation théorique et numérique des mécanismes physiques à l’œuvre. Cela rend nécessaire une approche expérimentale visant à sonder ces mécanismes fondamentaux.

Cette thèse vise à étudier expérimentalement la réponse très hors équilibre de liquides polaires à l’aide d’un dispositif développé récemment au sein du laboratoire permettant d’appliquer à un liquide un changement très rapide de température et de suivre sa dynamique de rééquilibration. Des mesures de réponse linéaire devrait permettre d’en savoir plus sur les mécanismes physiques gouvernant l’équilibration tandis que des mesures non-linéaires renseigneraient sur la nature coopérative des réarrangements structuraux.

Les oxydes dopés N et/ou les oxynitrures constituent une classe de composés nouveaux et en plein essor présentant une large gamme de propriétés utilisables, en particulier pour les nouvelles technologies de production dénergie décarbonnée ainsi que pour des capteurs multifonctionnels. Dans ce domaine de recherche, la recherche de nouveaux matériaux est particulièrement souhaitable en raison des propriétés peu satisfaisantes des matériaux actuels. Linsertion dazote dans le réseau cristallin dun oxyde semiconducteur permet en principe de moduler sa structure électronique et ses propriétés de transport pour obtenir de nouvelles fonctionnalités. La production de films minces monocristallins correspondants, est un défi important. Dans ce travail de thèse, des films d’oxynitrures monocristallins seront élaborés par épitaxie par jets moléculaires assistée de plasma atomique. L’hétérostructure multiferroïque combinera deux couches enrichies en azote : une couche ferroélectrique de BaTiO3 dopée N ainsi quune ferrite fortement dopée ferrimagnétique dont les propriétés magnétiques pourront être modulées grâce au dopage N pour obtenir de nouveaux matériaux multiferroique artificiels plus satisfaisants pour les applications. Les structures résultantes seront étudiées quant à leurs caractéristiques ferroélectriques et magnétiques ainsi que leurs couplages magnétoélectriques en fonction du dopage N. Ces observations seront corrélées à une compréhension détaillée des structures cristallines et électroniques.

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

Les états à dénominateur pair de leffet Hall quantique fractionnaire (par exemple ’’=5/2) devraient héberger des excitations qui ont des statistiques anyoniques non abéliennes, ce qui en fait des candidats prometteurs pour la réalisation dun processeur quantique topologique [1]. Bien que la démonstration de ces statistiques non abéliennes ait longtemps été une entreprise extrêmement difficile, des expériences récentes dans des hétérostructures semi-conductrices GaAs ont montré que la conductance thermique de bord de létat ’’=’’/’’ est quantifiée dans des valeurs demi-entières du quantum de conductance thermique [2,3]. Cette quantification en demi-entier est connue pour être une signature universelle des statistiques non-abéliennes, y compris des fermions de Majorana [4]. Cependant, de nombreux candidats présumés pour létat fondamental de ’’=5/2 ont des structures de bord complexes présentant des modes neutres contre-propagateurs, qui peuvent modifier la conductance thermique de bord et leur donner des valeurs non entières similaires à celles dun bord non abélien. Une expérience très récente [3] a contourné le problème en trouvant un moyen de séparer les contributions des différents canaux au bord, confirmant lexistence dun canal non abélien avec une conductance électrique et thermique quantifiée demi-entière. La prochaine question évidente est de savoir si ce résultat est vraiment universel : est-il valable pour différents matériaux et différents états de dénominateur pair ’

Dans ce projet, nous proposons de répondre à ces questions en effectuant des mesures de transport de chaleur dans des états de Hall quantiques fractionnaires dans le graphène bicouche. Il a récemment été démontré que le graphène bicouche empilé par Bernal hébergeait une grande variété détats de Hall quantiques fractionnaires robustes à dénominateur pair [5-8], à la fois semblables à des trous et à des électrons. Il sagit dun excellent banc dessai pour létude de la conductance thermique, car ces fractions devraient être décrites par différents états fondamentaux (éventuellement non abéliens) ; en outre, la possibilité dappliquer des champs de déplacement électrique permet un degré de contrôle supplémentaire sur les états à dénominateur pair, qui peuvent être étudiés par transport de chaleur.

Ce projet expérimental est basé sur le transport thermique à très basses températures et à champs magnétiques élevés [9], basé sur des mesures électriques très sensibles. Nous recherchons des candidats très motivés et intéressés par tous les aspects du projet, tant expérimentaux (fabrication déchantillons, mesures à faible bruit, cryogénie) que théoriques.

[1] Nayak, et al., RMP 80, 1083 (2008) [2] Banerjee, et al., Nature 559, 205 (2018)
[3] Dutta, et al., Science 377, 1198 (2022) [4] Kasahara, et al., Nature 559, 227 (2018)
[5] Ki, et al., Nano Letters 14, 2135 (2014) [6] Li, et al., Science 358, 648 (2017)
[7] Zibrov, et al., Nature 549, 360 (2017) [8] Huang, et al., PRX 12, 031019 (2022)
[9] Le Breton, …, Parmentier, PRL 129, 116803 (2022)