Mesure de la réponse intra-pixel de détecteur infrarouge à base de HgCdTe avec des rayons X pour l’astrophysique
Dans le domaine de l'astrophysique infrarouge, les capteurs de photons les plus utilisés sont des matrices de détecteur basées sur le matériau absorbant HgCdTe. La fabrication de tels détecteurs est une expertise mondialement reconnue du CEA/Leti à Grenoble. Quant au département d'astrophysique (DAp) du CEA/IRFU, il possède une expertise reconnue dans la caractérisation de ce type de détecteurs. Une caractéristique majeure est la réponse spatiale du pixel (RSP), elle caractérise la réponse d'un pixel élémentaire de la matrice à la génération ponctuelle de porteurs au sein du matériau absorbant à divers endroits dans le pixel. Aujourd’hui cette caractéristique des détecteurs devient un paramètre clef des performances instruments, elle est critique lorsqu’il s’agit par exemple de mesurer la déformation de galaxie, ou de faire de l’astrométrie de précision. Il existe différentes méthodes existent pour mesurer cette grandeur (projection de sources lumineuses ponctuelles, méthodes interférentielles). Ces méthodes sont complexes à mettre en œuvre, notamment aux températures cryogéniques de fonctionnement des détecteurs.
Au DAp, nous proposons une nouvelle méthode, basée sur l’utilisation de photons X pour mesurer la RSP de détecteur infrarouge : en interagissant avec le matériau HgCdTe, le photon X va générer des porteurs localement. Ces porteurs vont diffuser avant d’être collectés. L’objectif est ensuite de remonter à la RSP en analysant les images obtenues. Nous suggérons une approche à deux volets, intégrant à la fois des méthodes expérimentales et des simulations. Des méthodes d’analyse de données seront aussi développées. Ainsi, l’objectif final de cette thèse est de développer une nouvelle méthode, robuste, élégante et rapide de mesure de la réponse intra-pixel de détecteur infrarouge pour l’instrumentation spatiale. L’étudiant.e sera basé au DAp. Ce travail implique également le CEA/Leti, combinant l'expertise instrumentale du DAp avec les connaissances technologiques du CEA/Leti.
Développement et caractérisation d'une ligne de lumière stabilisée à 13,5 nanomètres portant un moment angulaire orbital
La gamme d'énergie de photons de l'extrême ultraviolet (EUV, 10-100 nm) est cruciale pour de nombreuses applications allant de la physique fondamentale (attophysique, femto-magnétisme) aux domaines appliqués telles que la lithographie et la microscopie à l'échelle du nanomètre. Cependant, il n'existe pas de source naturelle de lumière dans ce domaine spectral sur Terre, car les photons sont fortement absorbés par la matière, ce qui nécessite un environnement sous vide. Il faut donc s'en remettre à des sources coûteuses, telles que les synchrotrons, les lasers à électrons libres ou les plasmas générés par des lasers intenses. La génération d'harmoniques laser d'ordre élevé (HHG), découverte il y a 30 ans et récompensée par le prix Nobel de physique en 2023, est une alternative prometteuse en tant que source de rayonnement EUV à l'échelle du laboratoire. Basée sur une interaction fortement non linéaire entre un laser de très courte durée et un gaz atomique, elle permet l'émission d'impulsions EUV d'une durée allant de la femtoseconde à l'attoseconde, avec des propriétés de cohérence très élevées et des flux relativement importants. Malgré des recherches intensives qui ont permis de comprendre clairement le phénomène, son utilisation a jusqu'à présent été essentiellement circonscrite aux laboratoires. Pour combler le fossé qui nous sépare des applications industrielles, il faut accroître la fiabilité de ces lignes de lumière, soumises à d'importantes fluctuations en raison de la forte non-linéarité du mécanisme, et développer des outils pour mesurer et contrôler leurs propriétés.
Le CEA/LIDYL et la PME Imagine Optic ont récemment réuni leur expertise dans un laboratoire commun afin de développer une ligne de faisceau EUV stable dédiée à la métrologie et aux capteurs EUV. Le laboratoire NanoLite, hébergé au CEA/LIDYL, est basé sur une ligne de faisceau HHG compacte à haut taux de répétition fournissant des photons EUV autour de 40eV. Plusieurs capteurs de front d'onde EUV ont été étalonnés avec succès au cours des dernières années. Cependant, de nouveaux besoins sont apparus récemment, entraînant la nécessité de moderniser la ligne de faisceau.
Le premier objectif du doctorant sera d'installer une nouvelle géométrie HHG sur la ligne de faisceau afin d'améliorer sa stabilité et son efficacité globales et d'augmenter l'énergie des photons à 92eV, une cible en or pour la lithographie. Il mettra ensuite en œuvre la génération d'un faisceau EUV porteur d'un moment angulaire orbital et améliorera le détecteur d'Imagine Optic pour caractériser son contenu en OAM. Enfin, avec l'aide des ingénieurs d'Imagine Optic, il développera une nouvelle fonctionnalité pour leurs capteurs de front d'onde afin de permettre la caractérisation de grands faisceaux.
Caractérisation avancée des domaines ferroélectriques dans les couches minces à base de HfO2
Ferroelectric random access memories (FeRAM) based on hafnium zirconium oxide (HZO) are intrinsically ultra-low power thanks to the voltage switching mechanism, the scaling potential of HZO to below 10 nm and full CMOS compatibility. In addition, they demonstrate low latency necessary for a wide variety of edge logic and memory applications. Understanding the underlying mechanisms and kinetics of ferroelectric domains switching is essential for intelligent FeRAM design and optimal performance.
This thesis focuses on the comprehensive characterization of ferroelectric (FE) domains in ultra-thin HZO films. The student will use several surface imaging techniques (piezoelectric force microscopy, PFM, low energy electron microscopy, LEEM, and x-ray photoemission electron microscopy, PEEM) combined with advanced operando characterization methods (time-resolved detection coupled with synchrotron radiation) for this purpose. This project will mark an important progress on the fundamental research on the polarization switching mechanisms of ultra-thin hafnia-based FE layer, elucidating the specific effects of the metal electrode/FE layer interface in the electrostatic behaviour of the studied capacitors. It will ultimately allow a significant breakthrough on the industrial development of ferroelectric emerging memories, essential for large-scale artificial intelligence (AI) applications.
Premières observations du ciel gamma au TeV avec la caméra NectarCAM pour l’observatoire CTA
L’astronomie des très hautes énergies est une partie de l’astronomie relativement récente (30 ans) qui s’intéresse au ciel au-dessus de 50 GeV. Après les succès du réseau H.E.S.S. dans les années 2000, un observatoire international, le Cherenkov Telescope Array (CTA) devrait entrer en fonctionnement à l’horizon 2026. Cet observatoire comportera une cinquantaine de télescopes au total, répartis sur deux sites. L’IRFU est impliqué dans la construction de la NectarCAM, une caméra destinée à équiper les télescopes « moyens » (MST) de CTA. Le premier exemplaire de cette caméra (sur les neuf prévues) est en cours d’intégration à l’IRFU et sera envoyé sur site en 2025. Une fois la caméra installée, les premières observations du ciel pourront avoir lieu, permettant de valider entièrement le fonctionnement de la caméra. La thèse vise à finaliser les tests en chambre noire à l’IRFU, préparer l’installation et valider le fonctionnement de la caméra sur le site de CTA. Elle vise également à effectuer les premières observations astronomiques avec ce nouvel instrument. Il est également prévu de participer à l’analyse des données de la collaboration H.E.S.S., sur des sujets d’astroparticules (recherche de trous noirs primordiaux, contraintes sur l’Invariance de Lorentz à l’aide d’AGN lointains).
Influence de la densité d'ionisation dans l'eau sur des solutés fluorescents. Application à la Détection de rayonnements alpha
La localisation et l’identification rapide, à distance, des sources d’émission de particules alpha et beta sur les surfaces ou des cavités humides ou dans des solutions, dans des installations nucléaires en démantèlement, ou à assainir, est un véritable enjeu.
Le projet de thèse proposé vise à développer un concept de détection à distance d'une lumière de fluorescence issue de processus de radiolyse de l'eau sur des molécules ou des nano-agents. La caractérisation temporelle par des mesures de durées de vie de fluorescence permettra d’attribuer la détection à un type de rayonnement, dépendant de son transfert d'énergie linéique (TEL). Dans le pic de Bragg des rayonnements alpha où le TEL est maximal, la densité d'ionisation due à ce TEL influence la durée de vie de fluorescence. Cependant, des effets de débits de dose seront aussi à considérer.
Des molécules et nanoparticules candidates à former des produits fluorescents et sensibles à la densité d’ionisation et de radicaux produits dans les traces à temps très courts, seront identifiées par un travail guidé de bibliographie, puis testées et comparées par des mesures. Les mesures spectrales (absorption et fluorescence) et des durées de vie de fluorescence des espèces fluorescentes correspondantes seront réalisées en utilisant la méthode TCSPC (Time Corelated Single Photon Counting) multicanale (16 canaux). Des faisceaux d'ions ou des particules alpha provenant de sources scellées seront utilisés pour faire une preuve de concept dans le cadre du programme CEA assainissement/démantèlement.
ÉTUDE DE MÉTHODE D’INTELLIGENCE ARTIFICIELLE POUR LA SIMULATION ET L’EXTRACTION DE LA PRODUCTION DU BOSON DE HIGGS SE DÉSINTÉGRANT EN DEUX MUONS DANS L’EXPÉRIENCE ATLAS AU LHC
Les nouvelles techniques d’intelligence artificielle suscitent un intérêt croissant pour gérer le volume massif de données collectées par les expériences de physique des particules en particulier au collisionneur LHC. Cette thèse propose d’étudier ces nouvelles techniques pour la simulation du bruit de fond d’événements rares provenant de la désintégration en deux muons du boson de Higgs ainsi que de mettre en place de nouvelle méthode d’intelligence artificielle pour simuler la réponse de la résolution du détecteur du spectromètre à muons, qui est un élément crucial pour cette analyse.
RECHERCHES D’EMISSION DIFFUSES EN RAYONS GAMMA DE TRES HAUTE ENERGIE ET PHYSIQUE FONDAMENTALE AVEC H.E.S.S. ET CTAO
Les observations en rayons gamma de très hautes énergies (THE, E>100 GeV) sont cruciales pour la compréhension des phénomènes non-thermiques les plus violents à l’œuvre dans l’Univers. La région centre de la Voie Lactée est une région complexe et active en rayons gamma de THE. Parmi les sources gamma de THE se trouvent le trou noir supermassif Sagittarius A* au coeur de la Galaxie, des vestiges de supernova ou encore des régions de formation d'étoiles. Le centre Galactique (CG) abrite un un accélérateur de rayons cosmiques jusqu’à des énergies du PeV, des émissions diffuses du GeV au TeV dont le « Galactic Center Excess » (GCE) dont l’origine est encore inconnue, de potentielles sources variables au TeV, ainsi que possibles populations de sources non encore résolues (pulsars millisecondes, trous noirs de masses intermédiaires). Le CG devrait être la source la plus brillante d’annihilations de
particules massives de matière noire de type WIMPs. Des candidats matière noire plus légers, les particules de type axions (ALP), pourraient se convertir en photons, et vice versa, dans les champs magnétiques laissant une empreinte d’oscillation dans les spectres gamma de noyaux actifs de galaxies (AGN).
L'observatoire H.E.S.S. situé en Namibie est composé de cinq télescopes imageurs à effet Cherenkov atmosphérique. Il est conçu pour détecter des rayons gamma de quelques dizaines de GeV à plusieurs dizaines de TeV. La région du Centre Galactique est observée par H.E.S.S. depuis vingt ans. Ces observations ont permis de détecter le premier Pevatron Galactique et de poser les contraintes les plus fortes à ce jour sur la section efficace d'annihilation de particules de matière noire dans la plage en masse du TeV. Le futur observatoire CTA sera déployé sur deux sites, l'un à La Palma et l'autre au Chili. Ce dernier composé de plus de 50 télescopes permettra d'obtenir un balayage sans précédent de la région sur Centre Galactique.
Le travail proposé portera sur l'analyse et l'interprétation des observations H.E.S.S. conduites dans la région du Centre Galactique pour la recherche d'émission diffuses (populations de sources non résolues, matière noire massive) ainsi que des observations menées vers un sélection de noyaux actifs de galaxie pour la recherche d'ALPs constituant la matière noire. Ces nouveaux cadres d'analyses seront implémentés pour les analyses CTA à venir. Une implication dans la prise de données H.E.S.S. est attendue.
Nanostructures Organiques 2D Covalentes par Réticulation Optiquement Contrôlée d’auto-assemblages moléculaires
L’auto-assemblage de molécules sur substrat cristallin permet d’aboutir à des structures 2D non-covalentes présentant des propriétés intéressantes pour différents domaines tels que l’optoélectronique ou les capteurs. La stabilisation de ces réseaux 2D en réseaux covalents est alors un enjeu de taille et un sujet d’actualité. Différentes démonstrations font état de réticulation déclenchée par des processus thermiques. A contrario, la photoréticulation est peu décrite et pour les quelques exemples trouvés, elle est employée dans des conditions d’ultra-vide.
Sur la base du savoir-faire précédemment développé et de l’expertise complémentaire de collaborateurs chimistes, nous nous proposons de mettre en oeuvre une photoréticulation de réseaux 2D à pression atmosphérique. Pour cela, un système modèle d’oligophényles fonctionnalisés pour permettre une photoréticulation et l’obtention d’un réseau 2D covalent sera utilisé. Les réseaux obtenus seront caractérisés en corrélant spectroscopie optique et microscopie à sonde locale pour suivre et mettre en évidence les processus de réticulation photo-induite à l’échelle de la longueur d’onde.
ÉTUDE DE LA VARIABILITE MULTI-ECHELLES DU CIEL GAMMA A TRES HAUTE ENERGIE
L'astronomie gamma de très haute énergie observe le ciel au-dessus de quelques dizaines de GeV. Ce domaine émergent de l’astronomie est en plein essor depuis le début des années 1990, en particulier, depuis la mise en service en 2004 du réseau de télescopes H.E.S.S. en Namibie. L'IRFU/CEA-Paris Saclay est un membre particulièrement actif de cette collaboration depuis ses débuts. Il est également impliqué dans la préparation du futur observatoire CTAO (Cherenkov Telescope Array Observatory) qui est actuellement en phase d’installation. La détection des photons gamma d'énergie supérieure à quelques dizaines de GeV permet d'étudier les processus d’accélération des particules chargées au sein d’objets aussi variés que les vestiges de supernova ou les noyaux actifs de galaxies. Par ce biais, H.E.S.S. vise notamment à répondre à la question centenaire de l'origine des rayons cosmiques.
H.E.S.S. permet de mesurer la direction, l'énergie et le temps d'arrivée de chaque photon détecté. La mesure du temps a permis de mettre en évidence des sources dont le flux présente des variations temporelles importantes ou encore périodiques. L'étude de ces émissions variables (transitoires ou périodiques), que ce soit en direction du Centre Galactique ou de noyaux actifs de galaxies (AGN) lointains permet de mieux comprendre les processus d'émissions à l'œuvre au sein de ces sources, de caractériser le milieu dans lequel les photons se propagent mais également de tester la validité de certaines lois physiques fondamentales comme l’invariance de Lorentz. La large gamme d'échelles temporelles qu'il est possible de sonder permet de rechercher et d'étudier des sursauts ou des variations dans le flux des sources allant de quelques secondes (sursaut gamma, trous noirs primordiaux) à quelques années (systèmes binaires de haute masse, noyaux actifs de galaxie).
L'un des succès majeurs des deux décennies de prise de données de H.E.S.S. a été de conduire à des relevés des ciels galactique et extragalactique aux très-hautes énergies. Ces relevés combinent des observations dédiées à certaines sources,
comme le Centre Galactique ou certains vestiges de supernovæ, mais aussi des observations à l’aveugle pour la découverte de nouvelles sources. Le sujet de thèse proposé ici porte sur un aspect de l’étude des sources qui reste à explorer : la recherche et l'étude de la variabilité des sources de très hautes énergies. Pour les sources variables, il est également intéressant de corréler la variabilité dans d’autres domaines de longueurs d’onde. Finalement le modèle de la source peut aider à prédire son comportement, par exemple ses « états hauts » ou ses sursauts.
Circulateurs cryogéniques à cryosorption à très basses températures : de la preuve de concept à la mise en œuvre
Le DSBT et particulièrement le laboratoire de cryocoolers et cryogénie spatiale est particulièrement impliqué dans la conception de composants cryogéniques de pointes fonctionnant à la température de l’hélium liquide. Il a notamment une grande expérience de la réfrigération par adsorption en fabricant des refroidisseurs à adsorption à 300 mK utilisé sur le satellite Herschel et sur des télescopes de pointe en Antarctique. Il a également une expérience importante en refroidissement magnétique et dans le refroidissement par dilution, permettant d’atteindre des températures sous les 100 mK. A ces températures, l’utilisation de pompe cryogénique, notamment pour la dilution est une technologie clef. L’utilisation d’adsorption a déjà été considérée par d’autres équipes et nous proposons d’étudier une mise en œuvre originale de cette technologie qui permettrait d’obtenir des variations de débits et pressions compatible avec les besoins à cette température.
Le travail de thèse proposé comportera une grande part expérimentale, avec la maîtrise des techniques cryogéniques à très basses températures, inférieure à la température de l’hélium liquide. Les aspects de mesures seront importants, débits, températures et pression. Le couplage avec des modèles physiques des phénomènes observés permettra de s’approprier le sujet, de proposer des configurations réalistes et de valider les résultats expérimentaux.
On attend du candidat qu’il acquiert la maîtrise des techniques cryogéniques et qu’il fasse preuve de créativité et de prise d’initiative pour s’approprier le sujet et être moteur dans son orientation.