Simulation quantique des noyaux atomiques
Les noyaux atomiques forment des systèmes quantiques à N corps fortement corrélés régis par l'interaction forte de la QCD. Le modèle en couches nucléaire, qui diagonalise le hamiltonien dans une base dont la dimension croît exponentiellement avec le nombre de nucléons, constitue une approche bien établie pour décrire leur structure. Cependant, cette explosion combinatoire limite les calculs classiques haute performance à une fraction restreinte de la carte des noyaux.
Les calculateurs quantiques offrent une alternative prometteuse grâce à leur capacité naturelle à manipuler des espaces de Hilbert exponentiellement grands. Bien que nous demeurions dans l'ère NISQ avec ses qubits bruités, ils pourraient révolutionner les applications du modèle en couches.
Cette thèse vise à développer une approche complète pour la simulation quantique des systèmes nucléaires complexes. Un premier jalon crucial consiste à créer une interface logicielle intégrant les données de structure nucléaire (orbitales nucléoniques, interactions nucléaires) aux plateformes de calcul quantique, facilitant ainsi les applications futures en physique nucléaire.
Le projet explore deux classes d'algorithmes : les approches variationnelles et non-variationnelles. Pour les premières, l'expressivité des ansätze quantiques sera analysée systématiquement, notamment dans le contexte de la brisure et de la restauration de symétries. Les solveurs quantiques variationnels (VQE), particulièrement prometteurs pour les systèmes hamiltoniens, seront implémentés avec un accent sur la technique ADAPT-VQE adaptée au problème à N corps nucléaire.
Un défi majeur réside dans l'accès aux états excités, aussi cruciaux que l'état fondamental en structure nucléaire, alors que les VQE se concentrent principalement sur ce dernier. La thèse développera donc des algorithmes quantiques dédiés aux états excités, en testant diverses méthodes : expansion de l'espace de Hilbert (Quantum Krylov), techniques de fonctions de réponse (équations du mouvement quantiques), et méthodes basées sur l'estimation de phase. L'objectif final est d'identifier les approches les plus adaptées en termes de passage à l'échelle et de résistance au bruit, pour des applications avec des hamiltoniens nucléaires réalistes.
Accélération des calculs de densité électronique par apprentissage automatique
La théorie de la fonctionnelle de la densité dans le formalisme de Kohn-Sham (DFT) est l’une des méthodes les plus répandues pour simuler les propriétés microscopiques en physique et en chimie du solide. Son principal avantage réside dans sa capacité à trouver un équilibre favorable entre précision et coût de calcul. L’évolution continue des techniques numériques, de plus en plus efficaces, a constamment élargi la portée de son applicabilité.
Parmi ces techniques qui peuvent être associées à la DFT, l’apprentissage automatique est de plus en plus utilisé. Aujourd’hui, une application très répandue consiste à produire des potentiels capables de prédire les interactions entre les atomes en utilisant des modèles d’apprentissage supervisés, s’appuyant sur des propriétés produites en DFT.
L’objectif du projet proposé dans le cadre de cette thèse est d’utiliser les techniques d’apprentissage automatique à un niveau approfondi, notamment pour prédire la densité électronique dans les cristaux ou les molécules. Comparativement à la prédiction de propriétés telles que les forces entre atomes, calculer la densité électronique pose des difficultés : la densité électronique est de haute dimension puisqu’elle doit être calculée dans tout l’espace ; ses caractéristiques sont très variables d’un matériau à l’autre (métaux, isolants, transferts de charge…). Au final, cela peut représenter un coût de calcul non négligeable. Il existe plusieurs options pour réduire la dimensionnalité de la densité électronique, comme le calcul de projections ou l’utilisation de fonctions de localisation.
L’enjeu final de ce projet est de pouvoir prédire, avec la meilleure précision possible, la densité électronique, afin de l’utiliser comme base de prédiction ou point de départ pour des calculs de propriétés spécifiques aux électrons (magnétisme, structure de bandes, par exemple).
Dans un premier temps, le/la candidat·e pourra implémenter des méthodes récemment proposées dans la littérature ; dans une seconde partie de la thèse, il faudra proposer des idées nouvelles. Enfin, la méthode implémentée sera utilisée pour accélérer la prédiction de propriétés de systèmes de grande taille et impliquant des transferts de charge, comme la migration de défauts dans les cristaux.
L'instabilité de dérive non-résonnante dans les plasmas turbulents
La turbulence magnétique présente dans de nombreux systèmes astrophysiques tels que le vent solaire et les rémanents de supernova joue un rôle clé dans l'accélération de particules à haute énergie, notamment dans le contexte des ondes de choc non collisionnelles. En confinant certaines particules près du front de choc, elle leur permet de gagner de l'énergie par réflexions successives entre les milieux amont et aval, un mécanisme connu sous le nom de processus de Fermi et considéré comme étant à l'origine des rayons cosmiques.
La turbulence autour des rémanents de supernova est probablement déclenchée par les rayons cosmiques eux-mêmes, via des instabilités plasma lors de leur propagation en amont du choc. Dans le cas d'une onde de choc se déplaçant parallèlement au champ magnétique ambiant, l'instabilité dominante est celle de "dérive non-résonnante" - ou instabilité de Bell -, qui contribue à renforcer la turbulence préexistante.
L'objectif de cette thèse est de développer un modèle analytique complet de cette instabilité dans un plasma turbulent, puis d'en comparer les résultats à des simulations numériques avancées.
Effets électroniques dans les cascades de collisions dans le GaN
Dans les environnements radiatifs tels que l'espace et les installations nucléaires, les composants microélectroniques sont soumis à des
flux intenses de particules qui détériorent leur fonctionnement en dégradant les matériaux les constituant. Les particules entrent en
collision avec des atomes dans les matériaux semi-conducteurs, leur cèdent une partie de leur énergie cinétique et les éjectent de
leur site cristallin. Les atomes éjectés vont à leur tour générer des collisions, formant une cascade de collisions qui conduira à la
création de défauts de déplacements. De plus, les particules chargées primaires ou secondaires (issues de l’interaction avec un
neutron par exemple) vont aussi interagir spécifiquement avec les électrons du réseau et leur céder une partie de leur énergie en générant des paires électron-trou. On parle de freinage électronique. Une simulation complète de cascade de collisions se doit donc d’intégrer
ces deux éléments : collisions avec les noyaux des atomes et effets électroniques.
La méthode de prédilection pour la simulation de cascades de collisions à l’échelle atomique est la dynamique moléculaire (DM).
Cependant, les effets électroniques ne sont pas inclus car la méthode ne traite pas explicitement les électrons. Pour pallier à ce
problème, des modules additionnels à la DM imitant le plus fidèlement possible les effets des électrons doivent être utilisés. L’état de
l’art en ce qui concerne la simulation du freinage électronique d’un projectile dans un solide est la méthode de la théorie de la
fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT). L’objectif de cette thèse est de combiner DM et TDDFT pour réaliser des
simulations de cascades de collisions dans le GaN et étudier l’influence des effets électroniques. En plus de compétences transverses
communes à toute thèse, le/la candidat.e sera amené.e à développer des compétences dans plusieurs méthodes de modélisation
à l’échelle atomique, en physique du solide, en interactions particules-matière, en environnement linux ainsi qu’en programmation.
Mesure de la vitesse du son dans H2, He constitutifs des intérieurs des géantes gazeuses
L'objectif de la thèse est d'étudier les mélanges hydrogène-hélium en phase fluide à haute pression et haute température par spectroscopie Raman et Brillouin. Les expériences seront effectuées en cellule a enclumes diamant sous chauffage laser permettant d’explorer un vaste domaine de pression et de température représentatif des intérieurs planétaires des géantes de gaz (1-300 GPa, 300-4000 K). La spectroscopie Raman sera utiliser pour sonder les changements chimiques susceptibles d’apparaître en conditions extrêmes. La spectroscopie Brillouin donnera accès à la vitesse du son adiabatique et aux équations d’état de ces systèmes en phase fluide. Ces données seront particulièrement utiles pour améliorer la modélisation des intérieurs de Jupiter et Saturne.
Étude numérique de la sensibilité de la transition à la turbulence des couches-limites hypersoniques aux modèles de gaz pour en conditions de vol.
Cette thèse vise à améliorer la compréhension des écoulements hypersoniques et notamment le phénomène de transition laminaire-turbulent. Pour assurer une conception correcte des véhicules hypersoniques, il est important de prédire précisément les flux thermiques à la paroi. Ces flux sont très fortement contraints par la nature de la couche limite (laminaire/ transitionnelle/ turbulente). Or, les mécanismes à l’origine de la transition laminaire-turbulent sont complexes et souvent mal compris.
Ce constat est d’autant plus vrai lorsque la complexité thermochimique de l’écoulement augmente, notamment pour des hauts nombres de Mach, où les effets dits de gaz réel tels que la dissociation ou le non-équilibre thermochimique ne sont plus négligeables. Cependant, devant certaines difficultés de simulation de ces effets, la plupart des études sont aujourd’hui encore effectuée en gaz parfait, même pour des nombres de Mach intermédiaire (7 par exemple). Ainsi, le rôle des effets thermochimiques sur les étapes successives de la transition reste encore mal connu.
Dans ce contexte, cette thèse vise à étudier numériquement l’impact de la montée en complexité des modèles de gaz sur la transition laminaire-turbulent. L’objectif final de la thèse est d’être en capacité d’effectuer des simulations numériques haute-fidélité de transition laminaire-turbulente en conditions de vol, et de mieux maitriser les modèles physiques et les paramètres de similitudes nécessaires pour restituer les essais en vol.
Pendant la thèse, le candidat sera amené à :
• Produire un état de l’art des modèles de gaz et leur influence sur les instabilités hydrodynamiques ;
• Réaliser des simulations haute-fidélité de cas canoniques de transition laminaire turbulente en faisant varier les modèles de gaz et les modèles thermochimiques utilisés ;
• Etudier l’impact de ces modèles sur les scénarios de transition ;
• Explorer les paramètres influents pour l’étude de la transition laminaire turbulente a haut Mach et haute-enthalpie.
Pour effectuer ces taches, le candidat pourra s’appuyer sur une collaboration constituée de trois organismes de recherche que sont l’ONERA, le laboratoire DynFluid de l’ENSAM Paris et le CEA-DAM, sur le centre du CESTA. Ces deux derniers organismes sont respectivement spécialisés dans la physique des gaz compressibles et la physique de la rentrée-atmosphérique. Ainsi, l’étudiant bénéficiera d’une base de connaissance solide en simulation de transition laminaire turbulente des gaz parfaits (ONERA/DYNFLUID/CEA), de bases de données expérimentales de références d’essais en soufflerie (ONERA/CEA) et de la maitrise des modèles thermochimiques complexes (Dynfluid/CEA). Cette thèse s’effectuera pour la première période en région parisienne à DynFluid pour monter en maturité sur la physique et les outils numériques, elle se suivra par une seconde période au CESTA à Bordeaux, afin de bénéficier des infrastructures de calcul et de l’expérience en rentrée-atmosphérique du CEA-DAM.
Modélisation multiéchelle de la réponse magnétique de matériaux hétérogènes
La dépendance spectrale de la perméabilité des matériaux magnétiques, que ce soit dans les matériaux composites ou massifs, reste un sujet complexe, en raison des différentes échelles des phénomènes impliqués. Des modèles analytiques approximatifs sont souvent utilisés pour décrire la réponse en fréquence des matériaux magnétiques, notamment pour améliorer leurs performances dans des domaines comme l’électronique de puissance. Des résultats récents ont montré que des codes de micro-magnétisme permettent maintenant de prédire la réponse d’un ensemble de nanoparticules couplées, ou d’une particule d’un volume représentatif des matériaux en question. Cette thèse vise à utiliser ces outils pour améliorer les modèles analytiques existants. Une inclusion baignant dans un champ effectif sera le paradigme à partir duquel la structure en domaine et la réponse spectrale de la particule seront calculées en utilisant un code de micro-magnétisme. Les matériaux étudiés incluent des particules sphériques ou à fort rapport de forme (oxydes magnétiques, pétales ferromagnétiques) à concentration variable, allant des milieux dilués aux matériaux massifs. Des pistes seront ainsi dégagées pour optimiser la microstructure des matériaux, en vue de meilleures performances dans des applications comme l’électronique de puissance et les composants hyperfréquences. A cet effet, le CEA offre un environnement de calcul scientifique avec des ressources HPC, ainsi que des capacités pour l’élaboration d'échantillons et les caractérisations magnétiques statiques et dynamiques. A l’issue de ce travail, le candidat aura acquis une très bonne maîtrise des relations microstructure-propriétés décrites par une approche numérique appliquées aux matériaux magnétiques. Plus généralement, cette démarche est en pleine expansion dans le domaine des matériaux ("materials par design", ou conception numérique des matériaux).
Description de phénomènes collectifs au sein des noyaux d’atome au-delà de l’approche de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps
Contexte :
Prédire l'organisation et la dynamique des neutrons et protons au sein des noyaux d'atome est un véritable
défi scientifique, crucial pour concevoir les technologiques nucléaires du futur mais aussi pour répondre à
des questions fondamentales comme l'origine des atomes lourds dans notre univers. Dans ce cadre, le CEA,
DAM, DIF développe des approches théoriques visant à simuler la dynamique des constituants élémentaires
du noyau atomique. Les équations du mouvement obtenues, dans le cadre de la mécanique quantique, sont
résolues sur nos supercalculateurs. Les années 2010 ont vu une montée en puissance de l’approche dite de la
fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT) pour traiter ce problème. Malgré sa description
révolutionnaire de certains phénomènes tels que les résonances géantes observées dans les noyaux d’atome
ou encore la fission nucléaire, cette approximation possède des limites intrinsèques.
Objectifs :
Cette thèse vise à développer et explorer une nouvelle approche théorique permettant de décrire les
phénomènes de mouvements collectifs des protons et neutrons au sein du noyau atomique. L’idée est de
généraliser l’approche TDDFT afin de mieux prédire certaines propriétés des réactions nucléaires comme la
répartition de l’énergie entre les fragments issus d’une fission nucléaire. Partant de premier travaux allant
dans cette direction, le/la doctorante devra dériver les équations du mouvement de cette nouvelle approche
puis les implémenter sous forme d’une librairie C++ optimisée et tirant profit des supercalculateurs du CEA.
Le but sera enfin d’étudier comment cette nouvelle approche améliore les prédictions de certains
phénomènes comme l’amortissement des résonances géantes dans les noyaux d’atomes ou encore la
naissance des fragments générés lors d’une fission nucléaire.
Assimilation de données hétérogènes dans des simulations de dispersion atmosphérique de radionucléides à échelle régionale
La modélisation et la simulation apportent des connaissances essentielles à la dispersion aérienne de gaz et de particules et au marquage de l’environnement qui en résulte. Ceci s’applique notamment aux rejets qui ont été engendrés par les essais nucléaires atmosphériques effectués dans le passé par la France en Polynésie. Si les calculs météorologiques et de dispersion à l’échelle régionale sont raisonnablement fiables, leurs résultats ont une part d’incertitude et présentent des écarts aux mesures hétérogènes des activités ou débits de doses dans l’air, sur le sol et dans les compartiments biologiques. La thèse visera à développer des méthodes d’inversion, basées sur l’assimilation de données, afin de réduire les erreurs et incertitudes des simulations de dispersion régionale de radionucléides. L’application concernera certains essais nucléaires dans l’atmosphère. Toutefois, les méthodes développées au cours de la thèse, telles que l’échantillonnage de Monte-Carlo par des chaînes de Markov, auront un domaine de mise en œuvre plus général. Après une revue bibliographique portant sur les essais nucléaires et les méthodes d’assimilation de données, des algorithmes originaux de modélisation inverse seront programmés, testés et appliqués à la simulation de la dispersion des rejets aériens issus d’essais. Ceci permettra d’estimer le rôle pressenti important de l’assimilation des mesures pour améliorer les simulations.
Etude du comportement d'un composite CMC en température par essais in situ en tomographie X
Le sujet proposé concerne l’étude du comportement mécanique d’un matériau composites à matrice céramique de type oxyde/oxyde en température (jusqu’à 1000°C). L’originalité du sujet est l’utilisation de la tomographie X in situ pour accéder d’une part à la déformation macroscopique des éprouvettes testées et d’autre part aux mécanismes d’endommagement à l’échelle microscopique qui caractérisent ce type de matériaux dit « endommageables ».
Cette technique a été développée à température ambiante lors d'une thèse précédente : il s'agit ici de l'appliquer en température et sur des sollicitations plus complexes (eg traction-torsion). Il s'agira également de proposer des développements au protocole d'analyse par
corrélation d'image volumique existant.