Modélisation du transfert de spin dans les qubits silicium et germanium
Les qubits de spin en silicium et en germanium ont fait des progrès remarquables ces dernières années. Dans ces dispositifs, l'information élémentaire est stockée sous forme d'une superposition cohérente des états de spin d'un électron ou d'un trou confiné dans une boîte quantique intégrée dans une hétérostructure Si/SiO2 ou SiGe. Ces spins peuvent être manipulés électriquement et sont intriqués par des interactions d'échange, permettant de réaliser les opérations à un ou deux qubits nécessaires au calcul et à la simulation quantique. Grenoble promeut des plateformes de qubits originales basées sur Si et Ge, et détient divers records de durée de vie de spin et d'interactions spin-photon. Au CEA/IRIG, nous accompagnons le développement de ces technologies quantiques avec de la modélisation avancée, en particulier grâce au code TB_Sim capable de décrire des qubits très réalistes jusqu'à l'échelle atomique si nécessaire.
Un porteur de charge et son spin peuvent en être déplacés de manière cohérente entre différentes boîtes quantiques, ce qui permet le transfert d'information quantique et le couplage entre spins distants. La dynamique du transport de spin est cependant complexe en raison des interactions spin-orbite qui couplent le mouvement du porteur à son spin. Le contrôle de ce transport nécessite donc une compréhension complète de ces interactions et de leurs effets sur l'évolution et la cohérence du spin. L'objectif de cette thèse est de modéliser le transport entre qubits de spin Si/Ge en utilisant une combinaison de techniques analytiques et numériques (TB_Sim). Le projet étudiera notamment la manipulation, le transport et l'intrication du spin dans des réseaux de qubits, ainsi que la réponse au bruit et au désordre (décohérence). Le doctorant aura l'opportunité d'interagir avec une communauté dynamique d'expérimentateurs travaillant sur les qubits de spin au CEA et au CNRS.
Contrôle magnéto-ionique de jonctions tunnel magnétiques pour des applications neuromorphiques
La magnéto-ionique est un domaine émergent qui offre un grand potentiel de réduction de la consommation d'énergie dans les applications de mémoire spintronique grâce au contrôle non-volatile des propriétés magnétiques par l'intermédiaire de tension de grille. En combinant le concept de mouvement ionique contrôlé par tension des technologies memristor, typiquement utilisées dans les applications neuromorphiques, avec la spintronique, ce domaine offre une opportunité unique de créer une nouvelle génération de fonctionnalités neuromorphiques basées sur des dispositifs spintroniques.
Le doctorat sera un projet de recherche expérimentale axé sur la mise en œuvre du contrôle par tension de grille d’effets magnéto-ioniques dans les dispositifs spintroniques à jonction tunnel magnétique. Le but ultime du projet est d'obtenir un contrôle fiable et non volatile de la commutation de l'aimantation dans les jonctions tunnel magnétiques à trois terminaux.
Un défi majeur reste à relever pour l'utilisation de la magnéto-ionique dans des applications pratiques, à savoir son intégration dans les jonctions tunnel magnétiques (MTJ), qui sont les éléments constitutifs des architectures de mémoire magnétique. Cela permettra non seulement de débloquer le contrôle dynamique des champs/courants de commutation dans les jonctions tunnel magnétiques afin de réduire la consommation d'énergie, mais aussi de contrôler la stochasticité, ce qui a des implications importantes dans l'informatique probabiliste.
Vers une meilleure compréhension des protéines membranaires grâce à l’IA
Malgré les avancées spectaculaires de l'intelligence artificielle (IA), notamment avec des outils tels qu’AlphaFold, la prédiction des structures des protéines membranaires demeure un défi majeur en biologie structurale. Ces protéines, qui représentent 30% du protéome et 60% des cibles thérapeutiques, sont encore largement sous-représentées dans la Protein Data Bank (PDB), avec seulement 3% de structures résolues. Cette rareté s’explique par la difficulté à maintenir leur état natif dans un environnement amphiphile, ce qui complique leur étude, notamment avec les techniques structurales classiques.
Ce projet de thèse a pour objectif de lever ces obstacles en combinant les capacités prédictives d'AlphaFold avec des données expérimentales de diffusion aux petits angles (SAXS/SANS), obtenues en condition physiologique. L’étude se concentrera sur la protéine translocatrice TSPO, un marqueur clé en neuro-imagerie de plusieurs pathologies graves (cancers, maladies neurodégénératives) en raison de sa forte affinité pour divers ligands pharmacologiques.
Ce travail s’articulera autour de la prédiction de la structure de TSPO en présence et en absence de ligands, de l’acquisition de données SAXS/SANS du complexe TSPO/amphiphiles et de l’affinement des modèles grâce à des outils de modélisation avancée (MolPlay, Chai-1) et des simulations de dynamique moléculaire. En approfondissant la compréhension de la structure et de la fonction de TSPO, ce projet pourrait conduire à la conception de nouveaux ligands pour le diagnostic et la thérapie.
Fabrication de membranes nanocomposites plasmoniques pour la détection de biomolécules
La détection de certaines biomolécules en faibles quantités constiue bien souvent un défi. Récemment, les nanomatériaux ont permis d’obtenir de nouveaux matériaux aux propriétés optiques permettant de répondre à un telle problématique, en particulier les nanomatériaux plasmoniques.
Dans ce projet, nous proposons la synthèse d’un type particulier de nanocomposites obtenus par l’insertion de nanoparticules (NPs) plasmoniques au sein de membranes polymères formées par track-etching. Le contrôle de la réponse plasmonique sera effectué grâce au contrôle précis de la synthèse in situ des NPs directement dans les nanopores de la membrane, en utilisant des méthodes chimiques et physico-chimiques. En particulier, la réduction in situ des précurseurs métalliques par irradiation (faisceau d’électrons, rayons ?) sera étudiée. Des faisceaux ionisants (ions lourds accélérés) serviront aussi à structurer la matrice polymère sous forme de membrane, avec une porosité contrôlée. Les relations entre les paramètres structuraux du composite et ses propriétés optiques seront étudiées avec rigueur, afin de déterminer le matériau idéal pour la détection de biomolécules, qui sera testé sur des molécules modèles telles que des protéines ou des particules-modèles de virus, dans la partie finale du projet.
Etude des processus électroniques dans les LEDs nitrures par microscopie d’électro-émission
Les LEDs à base de nitrures sont aujourd’hui universellement utilisées pour l’éclairage basse consommation. Elles sont extrêmement efficaces à faible teneur en indium et à faible densité de courant, ce qui permet de réaliser les LEDs blanches commerciales à partir d’une LED bleue et d’un phosphore qui absorbe le bleu et réémet un spectre large dans le visible. Cependant, les LEDs nitrures souffrent d’une chute d’efficacité drastique à plus forte densité de courant et à plus forte concentration en indium, pour une émission dans le vert ou le rouge. Cela est un frein à l’extension de leur utilisation, pour obtenir des meilleures efficacités avec moins de matériau ainsi qu’un meilleur rendu de couleur. Ces chutes d’efficacité sont en partie dues à une augmentation des processus Auger-Meitner à trois particules, qui sont fortement impactés par les hétérogénéités locales du dispositif, et peuvent être réduites par une ingénierie spécifiques des défauts structurels des matériaux nitrures. Cette thèse propose d’étudier les processus électroniques dans des LEDs nitrures in operando, grâce à la microscopie d’électro-émission. En particulier, les mécanismes d’injections des charges dans la partie active des LEDs ainsi que les processus Auger-Meitner seront investigués et quantifiés. La résolution spatiale de la technique permettra de caractériser le rôle des hétérogénéités (défauts ou désordre d’alliage) sur les processus de pertes.
Etude expérimentale des couches limites en convection turbulente par spectroscopie d'ondes multi-diffusées.
La convection turbulente est un des principaux moteurs des écoulements géophysiques et astrophysiques et est donc un élément clef de la modélisation du climat. Elle intervient aussi dans de nombreux écoulements industriels. L'efficacité du transport est souvent limitée par des couches limites dont la nature et les transitions en fonction des paramètres de contrôle sont mal connues.
Le but de cette thèse sera de mettre en place d’une expérience de convection pour sonder le taux de dissipation dans les couches limites dans le régime turbulent grâce à une technique innovante développée dans l’équipe : la spectroscopie d’ondes multi-diffusées.
Supraconductivité topologique et surface de Fermi dans les supraconducteurs à spin triplet
La supraconductivité topologique est devenue un sujet de recherche intense en raison de son potentiel pour des avancées majeures dans le domaine de l'information quantique. Les systèmes massifs représentent une possibilité prometteuse, avec des candidats principalement trouvés parmi les supraconducteurs non conventionnels, qui sont également des systèmes d'électrons fortement corrélés. À ce jour, seuls quelques composés candidats pour la supraconductivité topologique de volume existent, et ils sont principalement des supraconducteurs lourds à base d'uranium. L'UTe2 est l'un des candidats les plus prometteurs. Les propriétés topologiques des supraconducteurs dépendent crucialement de la topologie de la surface de Fermi.
Dans ce projet, nous souhaitons mettre en place une nouvelle technique (pour notre équipe) reposant sur un circuit oscillateur à diode tunnel. Cette technique est très sensible aux oscillations quantiques et est bien adaptée aux études sous champs magnétiques élevés et sous haute pression. Les premières expériences se concentrent sur le nouveau supraconducteur UTe2, dont la surface de Fermi n'est que partiellement connue. Des études ultérieures réviseront les propriétés topologiques des supraconducteurs ferromagnétiques UCoGe et URhGe.
Calibration des nouvelles chambres à projection temporelle à grand angle de l'expérience T2K et mesure de la violation de CP dans les oscillations des neutrinos
Le projet de thèse proposé s’inscrit dans l’étude des oscillations des neutrinos, un phénomène quantique clé pour explorer la Nouvelle Physique au-delà du Modèle Standard. Ces oscillations, comparées entre neutrinos et antineutrinos, pourraient apporter des éclaircissements sur l'une des questions les plus fondamentales de la physique des particules : l'origine de l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers.
L’expérience T2K, située au Japon, étudie ces oscillations en générant un faisceau intense de neutrinos (et antineutrinos) muoniques. Ce faisceau est mesuré à deux endroits : un détecteur proche, utilisé pour réduire les incertitudes systématiques liées au flux de neutrinos et aux modèles d’interaction, et un détecteur lointain (Super-Kamiokande), chargé de mesurer la disparition des neutrinos muoniques et l’apparition des neutrinos électroniques après oscillations.
Le projet de thèse se divise en deux parties. La première consistera à calibrer les nouveaux détecteurs (nouvelles chambres à projection temporelle utilisant la technologie MicroMegas resistive) pour mesurer le spectre en énergie des neutrinos et à évaluer les incertitudes systématiques associées. La seconde partie portera sur l’analyse des nouvelles données collectées, permettant d’obtenir des mesures plus précises des paramètres d'oscillation, d'améliorer la compréhension des interactions neutrino-noyau, et de mesurer la violation de CP dans les oscillations des neutrinos avec une précision de 3 sigma dans le cas d’une violation maximale, comme l’indiquent les derniers résultats de T2K, et à terme 5 sigma dans la future expérience Hyper-Kamiokande, qui utilisera le même faisceau et le même détecteur proche que T2K.
Effet de la combinaison des radiations ionisantes et de molécules radio-sensibilisantes dans des modèles de cancer du sein
Le programme proposé vise à évaluer l'efficacité de molécules améliorant les effets de la radiothérapie, dans des modèles in vitro et in vivo de cancer du sein. Deux types de molécules, à savoir un inhibiteur de la maintenance du génome mitochondrial et un inhibiteur de la voie du Base Excision Repair feront l'objet d'un test d'efficacité de radiopotentialisation dans les modèles.
Les inhibiteurs pressentis, qu’ils ciblent la maintenance du génome mitochondrial ou la voie du BER, font déjà l’objet de recherches in vitro, au sein du laboratoire et chez des collaborateurs. Nous avons montré que l’inhibition des mécanismes étudiés permet une diminution de la réparation des cassures de l’ADN suivant un stress génotoxique. Durant ce projet, nous évaluerons les effets des inhibiteurs sur les réparations des dommages à l’ADN induits par les irradiations de différents types (conventionnelle, ultra haut débit de dose, voire débit de dose extrême), ainsi que les mécanismes associés.
Une variabilité de réponse aux combinaisons thérapeutiques est très fréquemment observée lors du passage des modèles in vitro aux modèles in vivo. Ainsi nous évaluerons les inhibiteurs d’une part sur des modèles de lignées cellulaires bien caractérisés au laboratoire, et correspondant à différents sous-types de cancer du sein. D’autre part, les études seront complétées par une validation des effets relevés in vitro sur un modèle murin de cancer du sein. Ce modèle de xénogreffes, développé dans des animaux immunocompétents, permet un suivi clinique, histologique, et immunitaire des animaux et de leurs tumeurs afin de confirmer l'intérêt des molécules pour une application thérapeutique en appui à la radiothérapie.
Ce programme bénéficiera des collaborations du laboratoire avec des physiciens et des chimistes, et des installations expérimentales et plateformes de l'IRCM (irradiation, expérimentation animale, microscopie, cytométrie, etc...)
Corrosion sous contrainte du verre : régions de vitesses élevées de propagation de fissure sous critique
Les verres d’oxydes sont utilisés dans un grande variété d’applications industrielles en raison de leurs multiples propriétés avantageuses : transparence optique, bonnes propriétés mécaniques et thermiques, durabilité chimique, biocompatibilité et bioactivité. Cependant, un inconvénient majeur de ces verres est leur fragilité. La fracture dynamique du verre (vitesse de propagation de fissure ~km/s, comme dans le cas d’un verre tombant par terre et se brisant) en est un exemple bien connu. Il existe également un autre mode de fracture prépondérant et plus lent (10e-11 à 10e2 m/s). La vitesse de propagation de ces fissures sous-critiques est pilotée par la contrainte locale ressentie en pointe de fissure, appelée facteur d’intensité de contraintes et dépend des conditions environnementales, incluant l’humidité de l’air et la température.
Actuellement, notre dispositif expérimental permet de suivre la position du front de fissure au cours du temps grâce à un microscope tubulaire doté d’une caméra. Le traitement des images acquises permet de déterminer la vitesse du front de fissure et révèle la limite environnementale et la région I. Cependant, capturer les régions II et III n'est pas possible avec le dispositif actuel. Plusieurs raisons concourent à cette limitation : la vitesse élevée du front de fissure (10e-4 to 1500 m/s), la taille de l'échantillon (5×5×25 mm^3), la vitesse d’acquisition des caméras, etc.
Notre équipe a utilisé la technique de la chute de potentiel pour évaluer la vitesse du front de fissure lorsque v > 10e-4 m/s dans le PMMA. Cette méthode consiste à déposer une série de bandes conductrices parallèles à la surface d’un échantillon et d’utiliser un oscilloscope (haute fréquence) pour identifier quand le front de fissure sectionne les bandes conductrices ce qui conduit à un saut dans la résistance électrique. Nous souhaitons maintenant adapter cette technique aux échantillons DCDC de verres d'oxyde. L'objectif de la thèse est de développer et d’appliquer cette technique de chute de potentiel aux échantillons DCDC. Le défi est d’accéder aux variations fines de la vitesse de fissuration avec des résolutions en espaces et en temps de l’ordre de 50 microns et de la nanoseconde. L'étudiant en thèse participera à toutes les étapes de la réalisation des expériences : conception et dépôt des bandes conductrices parallèles sur la surface de l’échantillon en verre en utilisant une salle blanche, réalisation d'expériences de corrosion sous contraintes (CSC) dans les Régions II et III, et analyse des données acquises pendant l'expérience de CSC.