Du contrôle optimal en résonance magnétique nucléaire à 11.7 Tesla à l'imagerie précise du cerveau chez l'homme in vivo

Neurospin est un centre de recherche qui concentre divers laboratoires dont les activités de recherche s’organisent autour de la compréhension du cerveau humain, de son développement, et de ses maladies. Ce centre s’est doté en 2018 d’un instrument d’imagerie par résonance magnétique unique par l’intensité de son champ magnétique 11.7 Tesla. Cette valeur de champ magnétique permet d’atteindre un niveau de signal inégalé comme en attestent les mesures faites en 2021 sur un objet de référence puis les clichés comparatifs réalisés sur le cerveau de sujets volontaires sains en 2023. L’augmentation du champ magnétique, outre le challenge technique qu’il représente, favorise l’apparition d’artéfacts d’imagerie aujourd’hui bien décrits, et qui sont liés à l’augmentation de l’hétérogénéité du champ radiofréquence (B1) associé à l’excitation des spin (bascule de l’aimantation) et du champ statique lui-même (B0). Elle s’accompagne aussi d’une augmentation de l’énergie radiofréquence nécessaire pour réaliser la bascule de l’aimantation. Ces dix dernières années, Neurospin s’est beaucoup impliqué dans le développement de méthodes permettant de répondre à l’enjeu de produire des données de qualité sur le cerveau humain en IRM à fort champ magnétique (de 3T à 11.7T) en relevant ce challenge. Les résultats obtenus jusqu’alors s’appuient d’une part sur des évolutions importantes de l’instrumentation (réseau d’antennes RF, transmission parallèle) et d’autre part sur le contrôle optimal de la dynamique des spins, en passant par la résolution numérique de problèmes d’optimisation sous contrainte, non convexes, mettant en jeu un grand nombre de variables. Dans ce travail de recherche doctorale, nous proposons d’explorer le contrôle optimal dans le contexte de l’imagerie du cerveau chez l’homme à 11.7T, d’en décrire les limites, (coût algorithmique temps de calcul, problème des minima locaux, cas des excitations spatialement sélectives), et de proposer des approches innovantes permettant de dépasser les performances atteintes (paramétrisation nouvelles dans la construction des signaux, application de l’apprentissage machine pour simplifier et accélérer l’optimisation, recherche de nouveaux défis d’optimisation en lien avec l’application, recommandations sur l’évolution de l’instrumentation). Ce projet permettra au laboratoire de perfectionner et développer l’imagerie 2D et 3D structurelle, fonctionnelle et spectroscopique du cerveau humain en RMN à 11.7 Tesla et de préparer les applications d’imagerie cérébrales de demain.

De la toile cosmique aux galaxies : retracer l'accrétion de gaz à haut redshift par les observation et les simulations

Cette thèse vise à développer une compréhension intégrée des galaxies à haut redshift au sein de leurs structures à grande échelle. Nous étudierons comment les mécanismes de rétroaction (« feedback ») et l'activité nucléaire de ces galaxies affectent leur environnement, en couplant des données observationnelles avec des simulations cosmologiques.
Nos objectifs principaux sont de :
1. Faire progresser les capacités de diagnostic pour l'étude du gaz diffus.
2. Tester et valider les paradigmes actuels sur l'accrétion de gaz.
Notre travail observationnel s'appuiera sur de nouvelles données du télescope Keck et du Very Large Telescope concernant les halos Lyman-alpha autour de groupes et amas massifs à z>2, dont nous disposons déjà en grande partie. Nous intégrerons également les données de plus en plus nombreuses du télescope spatial James Webb (JWST) sur les mêmes cibles, afin de révéler les propriétés des galaxies et de leurs noyaux actifs (AGN).
Sur le plan théorique, nous utiliserons les résultats publics des simulations TNG100, HORIZON5 et CALIBRE pour comprendre l'évolution des galaxies, en tirant des enseignements des succès comme des échecs lors de la comparaison avec les observations. In fine, cela nous permettra de guider le développement de nouvelles simulations haute fidélité du milieu circum-galactique, conçues spécifiquement pour contraindre les processus d'accrétion de gaz.
Cette recherche soutient directement notre objectif à long terme de nous préparer à l'exploitation de BlueMUSE, un nouvel instrument en cours de construction pour le VLT auquel nous participons. Elle permettra également de répondre à l'une des questions ouvertes majeures en astrophysique, telle qu'identifiée par le rapport décennal Astro2020.

Recyclage chimique de déchets plastiques oxygénés et azotés par des voies de réduction catalytique

Depuis la fin de la seconde guerre mondiale, le recours aux plastiques pétrosourcés a favorisé l’émergence d’un modèle de consommations axé sur l’utilisation de produits jetables et la production mondiale de plastiques atteint désormais468 millions de tonnes par an. Ces plastiques, non biodégradables, sont à l’origine de nombreuses pollutions environnementales. Depuis les années 50, seulement 9 % de ces déchets ont fait l'objet d'un processus de recyclage. La majorité a été incinérée ou stockée en décharge. Dans le contexte actuel de cette économie linéaire, les enjeux sanitaires, climatiques et sociétaux rendent indispensable une transition vers une approche circulaire des matières. Cette évolution implique le développement de voies de recyclage à la fois efficaces et robustes. Alors que les voies de recyclage actuelles les plus répandues sont principalement des procédés mécaniques qui s’appliquent à des gisements particuliers de déchets, comme les bouteilles en plastique PET, le développement de méthodes chimiques de recyclage semble prometteur pour traiter des déchets dont les filières de recyclage sont inexistantes. Ces procédés chimiques innovants permettent de récupérer la matière carbonée des plastiques pour en produire de nouveaux.
Le projet doctoral vise à développer de nouvelles voies de recyclage chimique de déchets plastiques mixtes oxygénés/azotés tels que les polyuréthanes (mousses d’isolement, matelas, etc.) et les polyamides (fibres textiles, etc.), dont les filières de recyclage sont quasi inexistantes. Ce projet repose sur une stratégie de dépolymérisation catalytique de ces plastiques, par coupures sélectives des liaisons carbone-oxygène et/ou carbone-azote, pour former les monomères ou leurs dérivés correspondants. Pour ce faire, des systèmes catalytiques mettant en jeu des catalyseurs métalliques couplés à des réducteurs abondants et peu coûteux seront développés, et nous chercherons à comprendre leur mode de fonctionnement.

Cacracterisation et calibration de détecteurs cryogéniques à l'échelle de 100 eV pour la détection de la diffusion cohérente des neutrinos (CEvNS)

DESCRIPTIONS:

L’expérience NUCLEUS [1] cherche à détecter les neutrinos de réacteur via la diffusion élastique cohérente neutrino-noyau (CEvNS). Prédit en 1974 et mis en évidence pour la première fois en 2017, ce processus donne accès à des tests inédits du modèle standard à basse énergie. La cohérence de la diffusion sur l’ensemble du noyau augmente de plusieurs ordres de grandeurs sa section efficace ce qui en fait également une opportunité pour la surveillance des réacteurs par les neutrinos. Le dispositif expérimental de NUCLEUS est en cours d’installation auprès des réacteurs EDF de Chooz (Ardennes, France) qui sont une source intense de neutrinos. Le seul signal physique d’un événement CEvNS est l’infime recul du noyau cible, avec une énergie très faible, inférieure à 1 keV. Pour le détecter NUCLEUS utilise des cristaux de CaWO4 d’environ 1 g, placés dans un cryostat qui les refroidis à une température de 15 mK. Le recul du noyau provoque des vibrations du réseau cristallin équivalentes à une élévation de la température de ~100 µK, mesurée à l’aide d’un capteur Transition Edge Sensor (TES) déposé sur le cristal. Ces détecteurs permettent d’atteindre d’excellentes résolutions en énergie de seulement quelques ~eV et des seuils de détection de l’ordre de ~10 eV [2]. Le dispositif expérimental de NUCLEUS a été testé et validé en 2024 à TU-Munich [3] et la prisse de données à Chooz commencera à l’été 2026, en même temps que la thèse. Une première contribution portera sur l’acquisition des données sur site réacteur et leur analyse. Plus spécifiquement, l’étudiant(e) sera en charge de la caractérisation des détecteurs cryogéniques en CaWO4 déployés : stabilité, résolution en énergie, calibration et bruit de fond intrinsèque au cristal.

La question de la calibration à l’échelle sub-keV est un point crucial des expériences de CEvNS (et de matière noire). Or jusqu’à présent il était très difficile de générer des reculs nucléaires d’énergie connue pour caractériser la réponse des détecteurs. La méthode CRAB [4,5] répond à ce besoin en utilisant la réaction de capture de neutrons thermiques (énergie de 25 meV) sur les noyaux constituant le détecteur cryogénique. Le noyau composé résultant a une énergie d’excitation bien connue, l’énergie de séparation d’un neutron, comprise entre 5 et 8 MeV selon les isotopes. Dans le cas où il se désexcite en émettant un seul photon gamma, le noyau va reculer avec une énergie qui est aussi parfaitement connue car donnée par la cinématique à deux corps. Un pic de calibration, dans la gamme recherchée de quelques 100 eV, apparaît alors dans le spectre en énergie du détecteur cryogénique. Une première mesure réalisée, en 2022, avec un détecteur en CaWO4 de l’expérience NUCLEUS et une source de neutrons commerciale (252Cf) a permis de valider la méthode [6].

La deuxième partie de la thèse s’inscrit dans la phase « haute précision » de ce projet qui consiste à réaliser des mesures avec un faisceau pur de neutrons thermiques du réacteur TRIGA-Mark-II à Vienne (TU-Wien, Autriche). Le dispositif expérimental de calibration a été installé et caractérisé avec succès en 2025 [7]. Il consiste en un cryostat contenant les détecteurs cryogéniques à caractériser, entouré de larges cristaux de BaF2 pour une détection en coïncidence du recul nucléaire et du rayon gamma qui a induit ce recul. L’ensemble est placé directement sur l’axe du faisceau qui fournit un flux d’environ 450 n/cm2/s. Cette méthode de coïncidence réduira significativement le bruit de fond et permettra d’étendre la méthode CRAB à un plus large domaine d’énergie et aux matériaux constitutifs de la plupart des détecteurs cryogéniques. Nous attendons de ces mesures une caractérisation unique de la réponse des détecteurs cryogéniques, dans un domaine d’intérêt pour la recherche de la matière noire légère et la diffusion cohérente de neutrinos. En parallèle de la mesure de reculs nucléaires, l’installation d’une source de rayons X de basse énergie dans le cryostat permettra de générer des reculs électroniques ce qui mènera à la comparaison directe de la réponse du détecteur à des dépôts d’énergie sous le keV produits par des reculs nucléaires et d’électrons.

L’arrivée en thèse de l’étudiant(e) coïncidera avec la finalisation du programme de mesure sur les détecteurs en CaWO4 et Al2O3 de NUCLEUS et avec le début du programme de mesures sur le Ge (détecteur du projet TESSERACT) ainsi que sur le Si (détecteur du projet BULLKID).
La haute précision permettra également l’ouverture d’une fenêtre de sensibilité à des effets fins couplant de la physique nucléaire (temps de désexcitation du noyau) et de la physique du solide (temps de recul du noyau dans la matière, création de défauts cristallins lors du recul d’un noyau) [8].

L’étudiant(e) sera fortement impliqué dans tous les aspects de l’expérience : la simulation, l’analyse et l’interprétation des résultats obtenus.

ETAPES DU TRAVAIL:

L’étudiant(e) participera activement aux prises de données et à l’analyse des premiers résultats des détecteurs cryogéniques en CaWO4 de NUCLEUS à Chooz. Ce travail sera réalisé en collaboration avec les groupes des départements de physique nucléaire (DPhN), de physique des particules (DPhP) du CEA-Saclay et avec l’équipe de TU-Munich. Il commencera par une prise en main du code d’analyse CAIT pour les détecteurs cryogéniques. L’étudiant(e) étudiera plus spécifiquement les aspects de calibration via la réponse des détecteurs aux reculs électroniques issus de pulses de photons optiques injectés par fibres et de rayons X de fluorescence induits par les rayons cosmiques. Une fois cette calibration établie deux types de bruit de fond seront étudiés : les reculs nucléaires induits dans la gamme du keV par les neutrons rapides cosmogéniques et un bruit fond à basse énergie, appelé Low Energy Excess (LEE), intrinsèque au détecteur. La comparaison en les spectres expérimentaux et simulés du bruit de fond de neutrons rapides sera discutée à la lumière des différences entre réponses nucléaires et électroniques mesurées dans le projet CRAB. Les longues périodes de prises de données sur le site de Chooz seront mises à profit pour étudier l’évolution temporelle du bruit LEE. Ce travail se fera dans le cadre d’une collaboration en cours avec des spécialistes de la physique des matériaux de l'Institut des Sciences Appliquées et de la Simulation (CEA/ISAS) pour comprendre l’origine du LEE, qui reste une question ouverte majeure dans la communauté des détecteurs cryogéniques.

Les compétences d’analyse acquises sur NUCLEUS seront ensuite mises à profit pour les campagnes de mesures CRAB de haute précision prévues en 2027 auprès du réacteur TRIGA (TU-Wien) avec des détecteurs en Ge et Si.L’étudiant(e) sera fortement impliqué(e) dans la mise en place de l’expérience, dans la prise de données et l’analyse des résultats. Ces mesures prévues sur le Ge dans les canaux phonon et ionisation, ont le potentiel de lever l’ambiguïté actuelle sur le rendement d’ionisation des reculs nucléaires à basse énergie, qui sera un facteur déterminant de la sensibilité des expériences.

La haute précision de la calibration sera également exploitée pour étudier des effets fins de physique nucléaire et du solide (effets de timing et de création de défauts cristallins par le recul du noyau dans le détecteur). Cette étude sera réalisée en synergie avec les équipes de l’IRESNE et de l’ISAS au CEA qui nous fournissent des simulations détaillées des cascades gamma de désexcitation nucléaire et des simulations de dynamique moléculaire pour le recul des noyaux dans la matière.

A travers ce travail l’étudiant(e) aura une formation complète de physicien(ne) expérimentateur(trice) avec de fortes composantes de simulation et d’analyse de données, mais aussi un apprentissage des techniques de cryogénie dans le cadre de la mise en service des détecteurs de NUCLEUS et CRAB. Les contributions proposées mèneront à plusieurs publications durant la thèse avec une forte visibilité dans les communautés de la diffusion cohérente de neutrino et de la recherche de matière noire.

Au sein du CEA il (elle) bénéficiera du caractère exceptionnellement transverse de ce projet qui met déjà en interaction régulière les communautés de physique nucléaire, physique des particules et physique de la matière condensée.

COLLABORATIONS:

NUCLEUS: Allemagne (TU-Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU-Wien), Italie (INFN), France (CEA-Saclay).
CRAB: Allemagne (TU-Munich, MPP), Autriche (HEPHY, TU-Wien), Italie (INFN), France (CEA-Saclay, CNRS-IJCLab, CNRS-IP2I, CNRS-LPSC).

REFERENCES:

[1] NUCLEUS Collaboration, Exploring CE?NS with NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant, The European Physical Journal C 79 (2019) 1018.
15, 48, 160, 174
[2] R. Strauss et al., Gram-scale cryogenic calorimeters for rare-event searches, Phys. Rev. D 96 (2017) 022009. 16, 18, 78, 174
[3] H. Abele et al., Particle background characterization and prediction for the NUCLEUS reactor CE?NS experiment, https://arxiv.org/abs/2509.03559
[4] L. Thulliez, D. Lhuillier et al. Calibration of nuclear recoils at the 100 eV scale using neutron capture, JINST 16 (2021) 07, P07032
(https://arxiv.org/abs/2011.13803)
[5]https://irfu.cea.fr/dphp/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?id_ast=4970
[6] H. Abele et al., Observation of a nuclear recoil peak at the 100 eV scale induced by neutron capture, Phys. Rev. Lett. 130, 211802 (2023) (https://arxiv.org/abs/2211.03631)
[7] H.Abele et al., The CRAB facility at the TUWien TRIGA reactor: status and related physics program, (https://arxiv.org/abs/2505.15227)
[8] G. Soum-Sidikov et al., Study of collision and ?-cascade times following neutron-capture processes in cryogenic detectors Phys. Rev. D
108, 072009 (2023) (https://arxiv.org/abs/2305.10139)

Observateurs explicables et IA interprétable pour accélérateurs supraconducteurs et identification d’isotopes radioactifs

Les accélérateurs du GANIL, SPIRAL1 et SPIRAL2, génèrent des données complexes dont l’interprétation reste difficile. SPIRAL2 souffre d’instabilités dans ses cavités supraconductrices, tandis que SPIRAL1 requiert une identification fiable des isotopes dans des conditions bruitées.
Ce projet de thèse vise à développer une IA interprétable fondée sur la théorie des observateurs, combinant modèles physiques et apprentissage automatique pour détecter, expliquer et prédire les anomalies. En intégrant des approches causales et des outils d’explicabilité comme SHAP et LIME, il renforcera la fiabilité et la transparence du fonctionnement des accélérateurs.

Croissance et caractérisation de l’AlScN : un nouveau matériau prometteur pour les dispositifs piézoélectriques et ferroélectriques

Les semi-conducteurs III-nitrures — GaN, AlN et InN — ont révolutionné le marché de l’éclairage et pénètrent rapidement le secteur de l’électronique de puissance. Actuellement, de nouveaux composés nitrures sont explorés dans la recherche de nouvelles fonctionnalités. Dans ce contexte, le nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) s’est imposé comme un nouveau membre particulièrement prometteur de la famille des nitrures. L’incorporation de scandium dans l’AlN conduit à :

* Des constantes piézoélectriques accrues : ce qui rend l’AlScN très attractif pour la fabrication de générateurs piézoélectriques et de filtres SAW/BAW à haute fréquence.
* Une polarisation spontanée augmentée : cette polarisation renforcée peut être exploitée dans la conception de transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) présentant une densité de charge très élevée dans le canal.
* La ferroélectricité : la découverte récente (2019) de propriétés ferroélectriques ouvre la voie au développement de nouvelles mémoires non volatiles.

Au cours des cinq dernières années, l’AlScN est devenu un sujet majeur de recherche, présentant de nombreuses questions ouvertes et de passionnantes perspectives à explorer.

Cette thèse de doctorat portera sur l’étude de la croissance et des propriétés de l’AlScN et du GaScN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Le doctorant sera formé à l’utilisation d’un système MBE pour la synthèse des semi-conducteurs III-nitrures ainsi qu’à la caractérisation structurale des matériaux par microscopie à force atomique (AFM) et diffraction des rayons X (XRD). La variation des propriétés de polarisation du matériau sera étudiée par l’analyse de la photoluminescence de structures à puits quantiques. Enfin, le doctorant sera formé à l’utilisation de logiciels de simulation pour modéliser la structure électronique des échantillons, afin de faciliter l’interprétation des résultats optiques.

Excitations électroniques dans des nano-objets unidimensionels : description ab initio et connection avec l’intrication quantique

La compréhension des propriétés électroniques des électrons de valence dans les nano-objets est à la fois d’un intérêt fondamental et essentiel pour la conception de nouveaux dispositifs optoélectroniques. Dans ces systèmes, le confinement des électrons en basse dimensionnalité leur confère des propriétés exceptionnelles.
Ces propriétés sont liées aux caractéristiques fondamentales de la matière et aux fluctuations quantiques associées. Récemment, l’intrication quantique et l’information quantique de Fisher ont été directement mises en relation avec des propriétés spectroscopiques. Part ailleurs, ces propriétés spectroscopiques sont accessibles par des expériences, telles que l’absorption, la photoémission et la diffusion inélastique des rayons X.
Récemment, nous avons montré que le formalisme largement utilisé pour étudier les nano-objets isolés n’était pas adapté, et que les propriétés optiques qui en avaient été déduites en étaient affectées. Nous avons mis en évidence, théoriquement et expérimentalement, que dans les objets bidimensionnels la réponse optique contenait, en plus de la contribution transverse, une résonance de type plasmon, correspondant à une réponse longitudinale. Le rôle de l’interface s’est révélé déterminant. Le projet que nous proposons cette année consiste à reconsidérer les propriétés optiques des objets unidimensionnels.
Une fois la méthodologie établie pour décrire la fonction diélectrique macroscopique en 1D, nous explorerons ses liens avec l’intrication quantique et l’information quantique de Fisher, qui n’ont encore jamais été évaluées pour des systèmes à basse dimensionnalité.

Développement d’anticorps monoclonaux pour le diagnostic et le traitement des infections à Klebsiella pneumoniae hypervirulentes

Nous observons depuis quelques années l’émergence de souches de Klebsiella pneumoniae hyper-virulentes (hvKp) devenues très résistantes aux antibioques. Dans un contexte de raréfaction des options antibiotiques, les anticorps (Ac) monoclonaux dirigés contre des antigènes capsulaires bien conservés de ses souches d’HvKp apparaissent comme une alternative thérapeutique prometteuse.
Ce projet de thèse s’articule autour de trois objectifs complémentaires :
1. Décrire la circulation des clones de hvKp par analyse génomique comparative des souches collectées via le Centre National de Référence de la Résistance aux Antibiotiques et via une collaboration internationale.
2. Produire et caractériser des Ac monoclonaux dirigés contre la capsule de HvKp.
3. Développer un outil de détection rapide basé sur l’analyse des profils MALDI-TOF couplée à des algorithmes de machine learning.

Électrodes positives composites dans les batteries à l’état solide : influence du procédé de fabrication sur les performances électrochimiques

Le développement de batteries tout solide (SSBs) à haute densité énergétique et à faible coût est essentiel pour l’adoption à grande échelle des technologies de stockage d’énergie de nouvelle génération. Parmi les différents candidats pour la cathode, le LiFePO4 (LFP) et le LiFe1??Mn?PO4 (LFMP) offrent des avantages en termes de sécurité et de coût, mais présentent des tensions de fonctionnement faibles et une cinétique limitée comparées aux oxydes lamellaires riches en nickel tels que le LiNi0.85Mn0.05Co0.1O2 (NMC85). Afin d’équilibrer densité énergétique, puissance et stabilité, ce projet de thèse vise à développer des cathodes composites combinant LFMP et NMC85 dans des proportions optimisées pour des configurations tout solide utilisant des électrolytes à base de soufre (Li6PS5Cl). Nous examinerons l’influence des méthodes de fabrication — notamment la préparation des électrodes faites à partir d’encres et l’optimisation du couple liant–solvant — sur les performances électrochimiques et structurales obtenues. Des caractérisations approfondies operando et in situ (XRD, Raman et RMN) seront menées afin d’élucider la diffusion du lithium, les mécanismes de transition de phase et le comportement rédox au sein des systèmes composites. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et des méthodes de titration permettront de quantifier la cinétique du lithium à différents états de charge. En corrélant les conditions de fabrication, la microstructure et le comportement électrochimique, ce projet vise à identifier les compositions de cathodes et les stratégies de fabrication optimales pour des SSBs performantes et industrialisables. Au global, le projet vise à fournir une compréhension complète des relations structure–propriété dans les cathodes composites, ouvrant la voie à des batteries tout solide pratiques offrant une sécurité, une stabilité et une rentabilité accrues.

Approches chémobiologiques pour la toxicologie des terres rares chez l’Humain

L’utilisation technologique des lanthanides s’est intensifiée dans des domaines aussi divers que les énergies renouvelables, l’informatique et la médecine. Leur utilisation croissante pose la question de leur impact sur l’environnement et la santé humaine. Cependant, peu d’études existent sur leur toxicité éventuelle et les mécanismes moléculaires qui la sous-tendent. Nous proposons une approche pluridisciplinaire pour répondre à ces questions, et notamment : (i) identifier les protéines impliquées dans la réponse cellulaire à l’exposition aux lanthanides ; (ii) identifier les protéines interagissant avec ces ions métalliques, en utilisant des outils chémobiologiques développées au laboratoire. Nous déterminerons ainsi les partenaires d’interaction de ces métaux critiques, leur effet sur les organismes vivants et les caractéristiques clés qui leur permettent de lier le métal. Nos résultats permettront d’étendre nos connaissances sur la toxicologie de ces métaux, peu étudiée, et d’informer les politiques de protection environnementale et humaine. Sur le long terme, la compréhension des mécanismes moléculaires des interactions métal-vivant permettra l’émergence de stratégies bio-inspirées pour leur extraction, leur recyclage et leur (bio)remédiation.