Dispositifs supraconducteurs en Silicium
The project focuses on the study of superconducting devices with silicon as a semiconductor. Those include standard silicon transistors with superconducting source and drain contacts and superconducting resonators. The common properties is the superconducting material which is elaborated with the constrain of being compatible with the silicon CMOS technology.
In the actual situation of the project, devices with CoSi2, PtSi and Si:B superconducting contacts have been fabricated using the 300 mm clean room facility at the LETI and in collaboration with our partners at Uppsala university and C2N Paris Saclay. The main issue is now to characterize the electronic transport properties at very low temperature.
Condensats et Chromatine : Comment la Séparation de Phase Façonne les Réponses des Plantes à la Température
Les plantes doivent adapter leur développement aux conditions environnementales, notamment à l'augmentation des températures due au changement climatique. Le stress thermique impacte significativement la physiologie des plantes, et pour atténuer ces effets, elles ont développé des réponses au choc thermique (HSR), avec le facteur de choc thermique A1a (HSFA1a) jouant le rôle de régulateur principal chez Arabidopsis thaliana. En l'absence de stress, HSFA1a reste cytosolique et inactif, lié aux protéines de choc thermique (HSPs). Le stress thermique provoque la dissociation des HSPs, permettant la translocation nucléaire, la trimérisation, la liaison à la chromatine et l'activation des gènes de réponse au stress. Des études récentes révèlent qu'HSFA1a pourrait agir comme un facteur de transcription pionnier pour accéder à des régions chromatiniennes fermées et initier la HSR. De plus, des résultats préliminaires suggèrent qu'HSFA1a subit une séparation de phase liquide-liquide (LLPS) pour former des condensats nucléaires régulant l'expression des gènes. Ce projet vise à 1) explorer l'effet de la température sur la structure et l'oligomérisation de HSFA1a, 2) étudier la LLPS de HSFA1a en présence et en absence d'ADN, 3) caractériser l'activité pionnière de HSFA1a, et 4) déterminer l'importance physiologique de la LLPS dans la HSR.
Vers une compréhension fine de la régulation de l’expression des gènes par l’acétylation et la lactylation des protéines histones
Dans les cellules eucaryotes, l’ADN s’enroule autour de protéines histones pour former la chromatine. La modification dynamique des histones par diverses structures chimiques permet de réguler finement l’expression des gènes. Des altérations dans ces mécanismes complexes de régulation sont à l’origine de nombreuses maladies. L’acétylation des lysines d’histones est connue pour induire l’expression des gènes. D’autres structures peuvent être ajoutées sur les histones, dont les effets sur la transcription restent largement à élucider. La plupart d’entre elles, comme la lactylation découverte en 2019, dépendent du métabolisme cellulaire. Nous avons commencé l’étude de la lactylation dans la spermatogenèse murine. Ce processus de différentiation cellulaire constitue en effet un modèle de choix pour étudier la régulation de la transcription, du fait de changements spectaculaires dans la composition de la chromatine et dans le programme d’expression génique. Nous avons généré de nouveaux profils épigénétiques consistant en la distribution sur le génome de marques acétylées et lactylées sur trois lysines de l’histone H3. L’objet de cette thèse est de contribuer au déchiffrage du « code histone », d’abord en étudiant le rôle des lactylations sur le programme transcriptionnel. Ensuite, la prédiction d'états chromatiniens sera raffinée en intégrant au sein de modèles de réseaux de neurones nos nouvelles données à l'ensemble des données épigénomiques existant aux deux stades cellulaires étudiés.
Études théoriques des phénomènes orbitroniques et de spin-orbite dans les hétérostructures comprenant des matériaux de van der Waals, des métaux et des oxydes
Ce thèse de doctorat vise à trouver les meilleures combinaisons inexplorées de métaux de transition, d'oxydes et de matériaux 2D (dichalcogénures de métaux de transition, aimants 2D, graphène...) pour aider à optimiser et à fournir les bases scientifiques des dispositifs de stockage et de mémoire spintroniques à haut rendement énergétique, basés sur les domaines émergents de la spin-orbitronique et de l'orbitronique. Cette dernière est un nouveau domaine de recherche fascinant qui exploite les courants orbitaux et leur interaction avec les courants de spin médiés par le couplage spin-orbite.
En utilisant de calculs ab initio combinés à une approche liaison fort et à la théorie de la réponse linéaire, nous examinerons le potentiel des hétérostructures susmentionnées non seulement pour les phénomènes spin-orbite tels que l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya (DMI), l'anisotropie magnétique perpendiculaire (PMA) et l'interconversion spin-charge basée sur les effets Rashba et Rashba-Edelstein (REE), mais nous nous concentrerons également sur l'effet orbital Rashba-Edelstein (OREE). En outre, les mécanismes de contrôle de ces phénomènes par des stimuli externes (déformation, champs électriques et magnétiques externes) seront également étudiés. Ces études permettront de trouver des combinaisons de matériaux optimales pour assurer l'efficacité de la DMI, de la PMA et de l'interconversion spin-charge afin d'optimiser les dispositifs spintroniques et de contribuer ainsi de manière significative au développement d'une microélectronique durable.
Le projet de these sera basé sur une approche multi-échelle incluant des approches ab initio, liaison forte et atomistiques. Un candidat très motivé avec une bonne expérience en physique du solide, en théorie de la matière condensée et en simulations numériques est donc requis. Il/elle effectuera ses calculs sur les nœuds du cluster de calcul Spintec en utilisant des codes ab initio basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) combinés à d'autres codes/outils de simulation. Les résultats obtenus seront analysés avec soin et pourront être publiés dans des revues scientifiques internationales. Une forte collaboration avec des laboratoires en France (CEA/LETI, Laboratoire Albert Fert (CNRS,Thales), Aix-Marseille Univ...) et à l'étranger (ICN2-Barcelone, PGI Forschungszentrum Jülich, Osaka University) est prévue.
Décrypter les rôles de la chimie de surface et de la structuration multi-échelle dans le contrôle des performances de stockage des supercondensateurs à base de graphène
L'objectif de ce projet de recherche fondamentale est d’élucider les corrélations existantes, entre les propriétés des matériaux à base de graphène et leurs performances de stockage électrochimique, en dispositif supercondensateur. L’importance de la chimie de surface et celle de la structure multi-échelle de ces matériaux seront spécifiquement étudiées, car la plupart des propriétés physico-chimiques de ces matériaux découlent de ces 2 paramètres. Aussi, des matériaux spécifiquement conçus pour présenter des chimies de surface différentes (dopage N, différents degrés de réduction…) et différentes structurations seront synthétisés et caractérisés, en utilisant des méthodes classiques à avancées (CV-SANS, in-situ SANS…), spécifiquement adaptées à l’étude de ces propriétés et de leur évolution en cours de cyclage électrochimique. Les résultats obtenus permettront de fournir une compréhension multi-échelle du mécanisme de stockage et aideront à concevoir des matériaux dotés de propriétés de stockage optimisées.
Porte à deux bits quantiques à base d'hétérostructures de Germanium
Nous travaillons sur les qubits de spin en germanium, un matériau prometteur et polyvalent pour concevoir des bits quantiques de spin. Dans ces « hétérostructures », les trous sont hébergés dans une couche de germanium prise en sandwich entre deux couches de silicium/germanium. Ces trous présentent une mobilité très élevée et, contrairement aux spins électroniques qui ne sont sensibles qu'aux champs magnétiques, les spins des trous peuvent être manipulés par un champ électrique, c'est-à-dire par des tensions sur une grille. Ce contrôle entièrement électrique présente un inconvénient : les spins deviennent sensibles au bruit électrique et donc au bruit de charge dans les dispositifs. Les hétérostructures de germanium sont dotées de grilles métalliques qui écrantent en grande partie le bruit de charge provenant des défauts qu'elles recouvrent; cependant, dans les régions non couvertes par les grilles, les charges non écrantées sont responsables du bruit de charge qui limite le temps de cohérence.
Nous sommes en train d'acquérir un équipement de salle blanche unique combinant le dépôt et la gravure de couches atomiques, qui permettra de développer des structures originales où les grilles pénètrent profondément dans l'hétérostructure, afin de contourner l'effet de ces charges solitaires sur la surface dans le cas des grilles en surface. Grâce à cette nouvelle approche, la définition et la manipulation des points quantiques seront extrêmement simplifiées, et nous prévoyons d'obtenir des dispositifs de portes à deux qubits dans cette thèse.
Imagerie des champs de déformations dans les semi-conducteurs: du matériau au dispositif
Ce sujet traite de la visualisation et de la quantification des champs de déformation dans les matériaux semi-conducteurs, par des techniques utilisant le rayonnement synchrotron. Le contrôle de la déformation est fondamental pour optimiser les propriétés de transport électronique, mécaniques et thermiques. Dans une approche duale, nous combinerons la détermination du tenseur local de déformation déviatorique en balayant l'échantillon sous un nano faisceau polychromatique (µLaue) et une imagerie d'un champ de vu donné (microscopie aux rayons X en champ sombre, DFXM).
Des recherches originales s’intéresseront à améliorer l’analyse : (1) de la précision et de la vitesse de détermination quantitative des champs de déformation, (2) des distributions des gradients de déformation, et (3) du champ de déformation dynamique dans les matériaux piézoélectriques par des mesures stroboscopiques. Pour illustrer ces points, trois cas scientifiques correspondant à des matériaux microélectroniques pertinents et de complexité croissante seront étudiés :
1.Champs de déformation statiques entourant des contacts métalliques dans le Si, tels que les vias à travers le silicium (TSV) à haute densité dans la technologie CMOS.
2.Gradients de déformation dans des structures hétéroépitaxiales complexes Ge/GeSn avec des variations de composition le long de la direction de croissance.
3.Études de déformation dynamique de résonateurs acoustiques LiNbO3 en volume avec une fréquence de résonance dans la plage des MHz.
La validation de cette approche conceptuelle permettra une avancée significative dans le domaine de la microélectronique et l'ingénierie de déformation.
Valorisation du biogaz par conversion du CO2 avec une biorafinerie avancée
L'utilisation de sources d'énergie renouvelables est un défi majeur pour les décennies à venir. L'une des façons de répondre à la demande croissante d'énergie est de valoriser les déchets. Parmi les différentes stratégies actuellement développées, la valorisation de biogaz issu des stations de méthanisation apparaît comme une approche prometteuse. En effet, le biogaz est composé majoritairement de méthane, mais aussi de CO2 (environ 40%) non utilisé. Le projet proposé ici est le reformage du biogaz en utilisant une source de biohydrogène renouvelable pour convertir le CO2 restant en CH4 pur. Nous proposons de mettre en place une bioraffinerie avancée autonome qui combinera la photoproduction d'hydrogène à partir de déchets de l'industrie laitière réalisée par la bactérie Rhodobacter capsulatus combiné avec le CO2 présent dans le biogaz dans une unité de biométhanation contenant une culture de Methanococcus maripaludis, une archée méthanogène capable de produire du CH4 à partir de CO2 et de H2 selon la réaction de Sabatier. Le but est de produire du méthane de façon non énergivore et respectueuse de l'environnement.
Assemblage de la Nitrogénase: Qu'est ce qui distingue une nitrogénase d'une protéine échafaudage
Face aux crises du changement climatique et de la dégradation des sols, il est urgent de trouver des solutions pour réduire les émissions de gaz à effet de serre et la dépendance aux engrais azotés, tout en garantissant des rendements agricoles suffisants pour nourrir une population mondiale croissante. Une solution naturelle réside dans l'utilisation de la nitrogénase, une enzyme bactérienne capable de fixer l’azote atmosphérique en ammoniac, une forme directement assimilable par les plantes. Cependant, la biosynthèse de son cofacteur métallique, le FeMo-co, est un processus complexe nécessitant l’action coordonnée de nombreuses protéines.
L'objectif de cette thèse est de simplifier ce processus en étudiant des systèmes de maturation de la nitrogénase trouvés dans certains organismes, où un nombre réduit de protéines est utilisé, notamment grâce à la combinaison de plusieurs fonctions en une seule. Par une étude structurale et fonctionnelle comparative, nous chercherons à comprendre le rôle précis de chaque élément et comment simplifier ce système tout en conservant une activité optimale. Une telle avancée permettrait d’intégrer la capacité de fixation de l’azote dans les céréales, réduisant ainsi la dépendance aux engrais azotés.
Ce projet est issu d’une collaboration entre des équipes du CEA à l’Institut de Biologie Structurale et du CSIC à Madrid, reconnues pour leur expertise dans l'étude structurale des métalloprotéines ainsi que la biochimie et la génétique de la machinerie d’assemblage de la nitrogénase. Le doctorant bénéficiera d’un environnement scientifique de pointe, propice à une formation complète et enrichissante, pour une carrière future en recherche académique ou en R&D.