Etude des propriétés thermomécaniques des écoulements d'hydrogène solide
Le Département des Systèmes Basses Températures (DSBT) de l’IRIG développe plusieurs thématiques de recherche autour de l’hydrogène solide cryogéniques et ses isotopes. Les applications de cette recherche vont de la production de cibles d’hydrogène solide micrométriques renouvelables pour la génération de protons de forte énergie pour l'accélération laser-plasma, à la formation et l’injection de glaçons d’hydrogène de taille millimétrique ou centimétrique pour l’alimentation et le contrôle du plasma dans les réacteurs de fusion par confinement magnétique ou inertiel. Une problématique transverse à ces applications réside dans la connaissance fine des propriétés mécaniques de l'hydrogène solide, que cela soit pour mieux comprendre la physique d’extrusion et de production des cibles ou celle de la formation et de l’accélération des glaçons pour leur injection dans les plasmas de fusion.
Le sujet de cette thèse se focalise sur l’étude de l’extrusion de l’hydrogène solide sous pression. Sur cette technologie, le DSBT développe depuis plus de 10 ans plusieurs cryostats permettant la production de ruban d’hydrogène solide, dont la taille varie de quelques millimètres à quelques dizaines de micromètres, extrudés à des vitesses de quelques millimètres par seconde.
L’axe principal de recherche est une meilleure compréhension des mécanismes d’extrusion pour permettre le développement d’outils prédictifs numériques de conception de système d’extrusion. Cette thèse expérimentale reposera sur de la rhéométrie cryogénique basée sur un rhéomètre capillaire et/ou une expérience de couette développée au cours d’une précédente thèse. Cette étude se fera en collaboration avec le Laboratoire de Rhéologie et Procédés du l’Université Grenoble Alpes.
ÉTUDE DE L'HÉTÉROGÉNÉITÉ CONFORMATIONNELLE ET DE LA DYNAMIQUE DES MARQUEURS FLUORESCENTS DE TYPE FAST
Les protéines fluorescentes, et en particulier les protéines fluorescentes réversiblement commutables (RSFPs), ont révolutionné l’imagerie par fluorescence avancée, ouvrant la voie à des applications comme la microscopie à super-résolution. Parmi les alternatives émergentes, les rapporteurs basés sur des fluorogènes, tels que les systèmes FAST (Fluorescence Activating and Absorption Shifting Tag) se distinguent par leur grande photostabilité et leur polyvalence. FAST fonctionne par liaison non covalente d’une petite protéine modifiée à un fluorogène organique, ce qui induit la fluorescence et permet un suivi en temps réel sans maturation du chromophore. Cependant, des défis subsistent dans l’optimisation de ces systèmes en raison d’une compréhension limitée des interactions fluorogène-protéine, des dynamiques de liaison et des comportements photophysiques sous illumination. Ce projet de thèse vise à caractériser les modes de liaison des systèmes FAST à une résolution atomique à l'aide de la spectroscopie RMN multidimensionnelle, de la cristallographie aux rayons X et de la spectroscopie UV-visible. Des résultats récents suggèrent que les fluorogènes peuvent adopter plusieurs modes de liaison et que de légères modifications chimiques affectent les cinétiques de liaison et l’intensité de la fluorescence. En intégrant un dispositif d'illumination laser dans les investigations RMN, nous explorerons plus avant comment l'absorption lumineuse influence la conformation et la dynamique des fluorogènes. Les connaissances ainsi acquises permettront de concevoir de manière rationnelle des variants optimisés de FAST, améliorant leurs performances pour des applications spécifiques en microscopie et faisant progresser le domaine de l’imagerie par fluorescence.
Dynamique et désordre molèculaire dans la machinerie de réplication du virus SRAS CoV 2
La protéine de nucléocapside (N) du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère (SARS-CoV-2) est essentielle à la réplication du génome, à l'encapsidation du génome viral et à la régulation de la transcription des gènes. La protéine est fortement désordonnée, comprenant deux terminaisons désordonnées et un domaine central désordonné qui sont essentiels à sa fonction. Le domaine central contient un certain nombre de mutations importantes qui sont responsables de l'amélioration de l'aptitude virale et comprend une région qui est hyperphosphorylée pendant le cycle viral. La spectroscopie RMN est l'outil de choix pour étudier le comportement conformationnel des protéines intrinsèquement désordonnées, une classe abondante de protéines qui sont fonctionnelles sous leur forme désordonnée. Elles représentent 40 % du protéome et sont trop dynamiques pour être étudiées par cristallographie ou microscopie électronique. Le laboratoire hôte a développé un grand nombre d'outils uniques basés sur la RMN pour aider à comprendre la fonction de cette classe de protéines à une résolution atomique. Nous utiliserons la RMN, la RMN paramagnétique, la diffusion aux petits angles, le FRET de molécule unique et la microscopie électronique, en combinaison avec la simulation de la dynamique moléculaire, pour décrire les interactions de N avec les protéines partenaires virales et l'ARN viral, pour décrire le processus d'encapsidation du génome viral par la protéine nucléocapside, ainsi que l'impact des mutations présentes dans les variantes de la préoccupation. Les résultats seront corrélés avec la microscopie optique et électronique, réalisée en collaboration.
Supraconductivité chirale et transport thermique
Dans ce projet de doctorat, nous voulons explorer deux supraconducteurs non conventionnels bien connus par transport thermique, à travers une approche originale combinant des sondes macroscopiques et microscopiques. Ces supraconducteurs sont UPt3 et UTe2, choisis car ils permettent d'aborder directement deux questions, au cœur des débats actuels dans la communauté internationale. UPt3 traite de la question de la supraconductivité topologique, tandis qu'UTe2 nécessite une identification claire de son paramètre d'ordre supraconducteur "triplet de spin". La supraconductivité topologique est un sujet très actif sur le plan théoriquen et en raison de son intérêt potentiel dans le domaine de l'ingénierie quantique. Cependant, les résultats expérimentaux dans ce domaine sont rares, et souvent controversés. UPt3, qui a été le premier supraconducteur présentant des transitions entre phases supraconductrices, est aussi le système qui a les preuves les plus convaincantes de supraconductivité chirale.
L'objectif est d'explorer les prédictions sur l'existence d'un effet Hall thermique anormal (à champ nul), qui découlerait des courants de bord chiraux. Une nouvelle approche est proposée, combinant un dispositif conçu pour la mesure macroscopique de la conductivité thermique et de l'effet Hall thermique, avec une sonde microscopique réalisant une Spectroscopie Thermique par Balayage. Cela sera réalisé grâce à une collaboration entre deux laboratoires à Grenoble : une équipe de Pheliqs, maîtrisant la croissance de cristaux de haute qualité de ces systèmes ainsi que les mesures de transport thermique à basse température, et deux équipes de l'Institut Néel, expertes en microscopie SQUID par balayage et en mesures thermiques microscopiques jusqu'à des températures sub-Kelvin. Avec ce projet, l'étudiant en doctorat acquerra des compétences très variées, allant de la préparation d'échantillons, à l'instrumentation à basse température, et aux enjeux majeurs actuels dans le domaine des matériaux quantiques.
Contrôle du magnétisme bidimensionnel par l’ingénierie structurale et chimique d’interfaces van der Waals
Grâce à leurs liaisons faibles de type van der Waals, les matériaux 2D présentent des interactions interfaciales hautement modulables, ce qui permet notamment d’influencer l'ordre magnétique dans les aimants 2D. En particulier, la séquence d'empilement et la chimie interne impactent l'ordre ferromagnétique (FM) ou antiferromagnétique (AFM), comme rapporté récemment dans CrBr3, CrI3 et Fe5GeTe2, où le dopage par Co augmente la température de Curie et modifie les phases magnétiques. Le désordre chimique affecte également les propriétés magnétiques, la substitution Mn/Sb favorisant par exemple l'ordre FM dans Mn(Bi,Sb)2Te4. Cependant, notre compréhension du lien entre la structure atomique de ces matériaux et leurs propriétés magnétiques macroscopiques reste très limitée, notamment en raison de la coexistence de configurations métastables dans un même matériau. Un contrôle précis de l'empilement et de l'ordre chimique est nécessaire pour exploiter les propriétés magnétiques et quantiques de ces nouveaux matériaux 2D. La microscopie électronique à transmission (MET), en particulier le STEM avec correction des aberrations, est aujourd'hui l'une des techniques les plus puissantes, permettant l'imagerie et la spectroscopie à l'échelle atomique, pour étudier les propriétés structurales et chimiques des matériaux 2D. Ce projet de doctorat vise à étudier la relation entre la structure atomique, la chimie et les propriétés magnétiques dans des couches épitaxiales 2D telles que (Fe,Co)5GeTe2, en combinant la croissance par épitaxie par jets moléculaires (MBE) avec une analyse structurale et chimique par STEM.
Élucider le mécanisme de la fixation enzymatique du carbone
Le groupe Synchrotron de l'Institut de Biologie Structurale de Grenoble développe actuellement une méthode innovante appelée TR-FOX (Time-Resolved Functional Oscillation Crystallography). Cette technique vise à élucider, d’une part, la dynamique globale des macromolécules biologiques en fonctionnement, et d’autre part, les détails de leur mécanisme catalytique. Elle repose sur l’utilisation d’un injecteur capable de déposer sur l’échantillon cristallin, durant l'enregistrement des données de diffraction, une gouttelette de quelques nanolitres contenant les substrat et cofacteur de la réaction étudiée. Cela déclenche ainsi une réaction enzymatique au sein du cristal. Cette approche peut être couplée à la spectroscopie d'absorption UV-Visible pour caractériser plus précisément la cinétique de la réaction. L'objectif est d'obtenir une série de structures représentant différents états du cycle catalytique, permettant ainsi la réalisation d’un film moléculaire du fonctionnement de l’enzyme. Cette thèse poursuit un double objectif : (i) Améliorer et valider la méthode TR-FOX, (ii) Élucider le mécanisme catalytique de deux enzymes impliquées dans la fixation du carbone soit par capture soit par conversion du CO2.
Disques Magnétiques comme Transducteurs de Moment Angulaire
Le sujet proposé est un projet collaboratif visant à exploiter les disques magnétiques suspendus en tant que nouveaux transducteurs micro-ondes du moment angulaire orbital. Notre objectif est de développer des modulateurs opto-mécaniques ultra-fidèles fonctionnant à des fréquences de l'ordre du GHz en intégrant des matériaux magnétiques dans des composants optiques. Ce concept innovant découle des progrès récents dans l'étude des lois de conservation du moment angulaire des modes magnétiques dans les cavités axi-symétriques. La conception que nous proposons permet de réaliser une interconversion cohérente entre la gamme de fréquences des micro-ondes dans laquelle fonctionnent les réseaux sans fil ou les ordinateurs quantiques et celle des réseaux optiques, qui constitue la gamme de fréquences optimale pour les communications à longue distance. À cet égard, notre proposition ne se contente pas d’introduire de nouvelles applications de la magnonique dans le domaine de l'optique qui n'avaient pas été envisagées auparavant, mais elle jette également un pont entre la communauté spintronique et ceux des communautés électronique et quantique.
Les déformations élastiques sont générées ici par la dynamique de l'aimantation à travers le tenseur magnéto-élastique et son couplage sans contact à un circuit micro-ondes. Notre étude se concentrera sur des structures microniques en grenat magnétique monocristallin intégrées dans des guides d'ondes ou des cavités photoniques en GaAs. En outre, nous proposons la fabrication de structures suspendues afin de minimiser les pertes d'énergie (élastiques ou optiques) à travers le substrat.
Le premier défi est de produire des hétérostructures hybrides intégrant des films de grenat de haute qualité avec des semi-conducteurs. Nous proposons une approche nouvelle basée sur l’élaboration de films de grenat magnétique d'épaisseur micronique, obtenus par épitaxie en phase liquide (LPE) sur un substrat de gadolinium-gallium-grenat (GGG). L'originalité consiste à coller le film retourné sur une tranche de semi-conducteur, puis à polir mécaniquement le substrat de GGG. La multicouche obtenue sera ultérieurement gravée par des techniques de lithographie standard.
Le deuxième défi est d'aller au-delà de l'excitation des modes uniformes et de cibler les modes avec un moment angulaire orbital en tant qu'encodeurs de quanta arbitrairement grands de nJ? pour des communication multiplexés multi-canaux ou pour définir des registres d'états quantiques multi-niveaux. On tirera parti des avancées récentes dans le couplage spin-orbite entre les ondes de spin azimutales ainsi que dans la diffusion élastique des magnons sur les tenseurs magnéto-cristallins anisotropes. Dans ce projet, nous voulons également aller au-delà de l'état uniformément aimanté et exploiter la capacité de modifier de façon continue la texture magnétique d'équilibre dans la direction azimutale comme moyen d'ingénierie des règles de sélection et donc accéder de manière cohérente à des symétries de modes qui seraient autrement cachées.
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.
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.
Traitements de surfaces anti-microbiens
Le développement de surface limitant la prolifération microbienne est un enjeu crucial pour la santé publique. Dans le contexte des vols habités vers des destinations éloignées telles que l'orbite terrestre basse, la Lune et éventuellement Mars, la contamination biologique représente une menace significative pour la santé de l'équipage et la préservation des équipements spatiaux. La microflore transportée par l'équipage dans les habitats clos constitue un risque inévitable, accentué par les périodes prolongées d'isolement et de dépendance des systèmes de support de vie en milieu fermé. Outre les risques pour la santé des astronautes, il est connu que la bio-contamination peut endommager les équipements critiques à bord des vaisseaux spatiaux. Par ailleurs, les micro-organismes, exposés à l'environnement spatial, peuvent développer une résistance et muter, transformant les microbes bénins en agents pathogènes. Afin d'atténuer ces risques, des mesures efficaces, telles que des systèmes de filtration et des surfaces autodécontaminantes limitant la prolifération bactérienne, doivent être mises en place. L'expérience MATISS (2016-2025), à laquelle ont été associés les laboratoires SyMMES et PRISM, a exploré l'utilisation de revêtements hydrophobes pour réduire la bio-contamination à bord de l'ISS, mais des améliorations sont nécessaires, notamment pour trouver des solutions alternatives aux agents perfluorés et aux antibiotiques mais aussi applicable sur une large gamme de matériaux. De telles avancées peuvent avoir de nombreuses applications, bien plus larges que le domaine spatial, comme la sécurité alimentaire (emballages), les matériaux implantables, le traitement des adductions d’eau potable, l’hygiène des transports publiques, etc. Cette thèse collaborative entre le SyMMES et le CEA-Leti à Grenoble vise à développer des couches antimicrobiennes durables sans substances nocives, en explorant différents voies de fonctionnalisation, telle que la formation de monocouche auto-assemblées, l’électropolymérisation sur matériaux conducteurs, et de manière très originale en mettant en œuvre une nouvelle méthode de dépôt par plasma atmosphérique froid, adaptée aux grandes surfaces, et surtout applicable à un large panel de matériaux de différente nature.