L'objectif de cette thèse est de développer la spectroscopie de photoémission attoseconde des molécules en phases gazeuse et liquide à l'aide d'un nouveau système laser Ytterbium haute cadence. Ces études permettront de dévoiler en temps réel les processus de photoionisation en couche interne/externe et la dynamique de diffusion électronique.
L’objectif principal de cette thèse est de modéliser les mécanismes d’émission d’ions de terres rares à partir de liquides ioniques soumis à un champ électrique intense, afin d’identifier les conditions favorables à l’émission d’ions faiblement complexés.
Il s'agira d’établir des critères rationnels pour la conception de nouvelles sources ILIS adaptées à l’implantation localisée de terres rares dans des dispositifs photoniques.
Le travail de thèse s’appuiera sur des simulations de dynamique moléculaire à grande échelle, reproduisant la région d’émission d’un cône de Taylor sous champ électrique.
Les simulations seront confrontées aux expériences d’émission menées en parallèle dans le groupe SIMUL en collaboration avec Orsay Physics TESCAN, utilisant une source ILIS prototype dopée en terres rares. Les comparaisons des mesures (spectrométrie de masse, distribution énergétique) permettront d’ajuster les modèles et de valider les mécanismes proposés.
L'électronique de spin, grâce au degré de liberté supplémentaire apporté par le spin de l'électron, permet de déployer une physique du magnétisme à petite échelle très riche, mais également d'apporter des solutions technologiques de ruptures dans le domaine de la microélectronique (stockage, mémoire, logique...) ainsi que pour la mesure du champ magnétique.
Dans le domaine des sciences du vivant et de la santé, des dispositifs à base de magnétorésistance géante (GMR) ont fait la démonstration de la possibilité de mesurer à échelle locale les champs très faibles produits par les cellules excitables (Caruso et al, Neuron 2017, Klein et al, Journal of Neurophysiology 2025).
La mesure de l'information contenue dans la composante magnétique associée aux courants neuronaux (ou magnétophysiologie) peut en principe donner un descriptif du paysage neuronal dynamique, directionnel et différentiant. Elle pourrait ouvrir la voie à de nouvelles modalités dans les implants, grâce à leur immunité à la gliose et à leur longévité.
Le verrou actuel est la très petite amplitude du signal produit (<1nT) qui nécessite de moyenner le signal pour le détecter.
Les magnéto-résistances tunnel (TMR), dans lesquelles est mesuré un courant tunnel polarisé en spin, présentent des performances de sensibilité de plus d'un ordre de grandeur par rapport au GMR. Elles présentent cependant actuellement un niveau de bruit à basse fréquence trop élevée pour en tirer tout le bénéfice, notamment dans le cadre de la mesure de signaux biologiques.
L'objectif de cette thèse est de repousser les limites actuelles des TMR, en réduisant le bruit à basse fréquence, pour les positionner comme capteurs de rupture pour la mesure de signaux très faibles, et pour leur potentiel d'amplificateur de petits signaux.
Pour atteindre cet objectif, une première voie reposant sur l'exploration des matériaux composant la jonction tunnel, en particulier ceux de la couche magnétique dite libre, ou sur l'amélioration de la cristallinité de la barrière tunnel, sera déployée. Une seconde voie, consistant à étudier les propriétés intrinsèques du bruit à basse fréquence, en particulier dans des limites jusque-là inexplorées, en très basses températures où les mécanismes intrinsèques sont atteints, permettra de guider les solutions les plus prometteuses.
Enfin, les structures et approches les plus avancées sur l'état de l'art ainsi obtenues seront intégrées à des dispositifs permettant d'une part d'avoir des briques de base pour au delà de l'état de l'art et offrant de nouvelles possibilité pour les applications de l'électronique de spin. D'autre part, ces éléments seront intégrés à des systèmes pour la cartographie en 2D (voire 3D) de l'activité d'un système biologique global (réseau neuronal) et d’évaluer les capacités pour des cas cliniques (comme l’épilepsie ou la réhabilitation motrice).
Il est à noter que ces TMR améliorées pourront avoir d’autres applications dans les domaines d’instrumentation physique, de contrôle non destructif ou d’imagerie magnétique.
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.
Les réseaux énergétiques sont des éléments essentiels de toute stratégie climatique et énergétique réussie. Néanmoins, ils restent peu étudiés et insuffisamment compris dans leur dynamique ainsi que dans leur relation avec la consommation des ressources et la prospérité économique.
Dans ce projet de doctorat, plusieurs cas historiques de construction et d'utilisation de réseaux physiques, liés à la consommation d'énergie, seront explorés dans une approche d'écologie industrielle, avec des liens interdisciplinaires forts vers l'histoire économique, la géographie et la physique statistique des réseaux et des systèmes complexes. Comment les investissements énergétiques et matériels dans les éléments du réseau influencent-ils le développement et l'utilisation ultérieure du système pour distribuer les ressources ? La dynamique globale de la consommation d'énergie dépend-elle du type de réseau impliqué dans la croissance physique ?
Une première cible sera les chemins de fer qui se sont développés dans le monde entier au 19ème siècle en relation avec l'extraction, l'utilisation et la commercialisation du charbon. D'autres réseaux seront également étudiés tels que : le réseau routier au 20ème siècle en relation avec le pétrole ; les oléoducs et gazoducs ; les réseaux couplés gaz-chaleur-électricité. L'étude prendra également en compte le double rôle des chemins de fer et des réseaux routiers qui assurent le transport des passagers ainsi que le fret des ressources énergétiques et matérielles.
Dans la suite du projet ANR JCJC PlasmonISC, nous proposons un sujet de thèse majoritairement expérimental en nano-photonique. L’objectif de la thèse est d’étudier l’influence d’une nano-antenne (plasmonique, magnétique ou diélectrique) sur le taux régissant la photophysique d'émission de fluorescence d'une molécule unique, avec un intérêt particulier pour le taux de croisement intersystème. Nous avons développé un banc optique dédié combinant microscopie optique et microscopie à force atomique, une procédure expérimentale, ainsi que les outils de traitement du signal, montrant de premiers résultats encourageants avec une pointe diélectrique. Nous souhaitons continuer d'explorer l'interaction molécule unique/nano-antenne avec d'autres type de pointes générant d'autres effets physiques. La possibilité d’influer de manière contrôlée sur le passage à l'état triplet est d’un grand intérêt pour les sources de photons uniques, et pour les diodes électroluminescentes organiques, ainsi qu'en chimie.
La thèse se déroulera dans deux laboratoires de Paris-Saclay : un groupe à l’expertise en intelligence artificielle développée depuis de nombreuses années MIA-PS (INRAE) et un autre en physique de la matière – matière molle, biologie- MMB-LLB (CEA/CNRS).
Les techniques de Diffusion aux Petits Angles (rayons X, neutrons, lumière) concernent une communauté toujours croissante, particulièrement active en France en particulier en matière molle et biologie. Le passage des données dans l’espace réciproque à l’espace réel se fait via des modèles différents - dont le groupe MMB est expert, que cela concerne la forme – sphère, bâton, plaquette, chaine polymère, ou les interactions - attraction, agrégation, répulsion, arrangement. De plus, des structures plus complexes, comme les protéines ou les agrégats irréguliers, nécessitent des approches computationnelles ou empiriques. Dans tous les cas, la solution n’est pas univoque. Cela est particulièrement difficile pour les groupes de recherche nouveaux arrivants dans la technique.
Dans cette thèse, grâce à l’expertise de MIA-PS en IA (machine learning, optimisation, visualisation), l’accent sera mis sur le développement de méthodes d’IA dite explicable. Une partie de la modélisation passe par des modèles mathématiques et physiques expliqués, une autre partie par des modèles dits « boites noires », que l’on s’attachera à progressivement expliquer.
Le-la doctorant-e pourra accéder aux données de trois cas d’utilisation (« use-cases ») fournis par le LLB, et à leurs experts, pour développer une méthodologie générique. Un premier pas pourra s’appuyer sur le logiciel mondialement partagé SasView, mine de modèles explicites. Nous avons d’ores et déjà reçu un accueil positif de la part des développeurs de SasView, qui pourra donc être un vecteur de dissémination. Apport précieux, les mesures de DPA complémentaires seront accessibles via les plateformes du LLB, et des synchrotrons Soleil et ESRF.
Par la suite, un volet sur l’interactivité homme-machine - garantissant que les utilisateurs restent pleinement responsables de la construction d’une explication physico-chimique-biologique., pourra être mis en place. Le MIA-PS est également expert en méthodes de visualisation interactive avancées.
Le sujet combine donc des développements très avancés en informatique et une richesse de systèmes dans l’espace réel choisis pour leur originalité et bien sûr, leurs retombées.
Le CEA et le CNRS ont lancé une initiative de conception d’une nouvelle source de neutrons utilisant des accélérateurs de protons de basse énergie, le projet ICONE [1]. L’objectif est de construire une installation qui offrira une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres mise à la disposition de la communauté scientifique française et européenne. Parallèlement à ICONE, le LLB participe également à la R&D HiCANS autour de la construction d'une plateforme à Bilbao porteuse de collaborations européennes à mettre en place. Les expériences de diffusion neutronique nécessitent des neutrons thermiques et froids. La conception du modérateur est donc une pièce essentielle du projet pour maximiser les performances de la source.
Une piste d’amélioration des performances du modérateur est d’améliorer l’efficacité du réflecteur et plus spécifiquement le réflecteur de neutrons froids. Dans cette étude, nous proposons d’étudier les propriétés spécifiques de diffusion des neutrons froids sur des matériaux nanostructurés. En effet les neutrons froids ont de grandes longueurs d’ondes (> 0.4nm) et peuvent donc être diffusés de manière cohérente par des matériaux nanostructurés. L’efficacité de diffusion est non seulement démultipliée par les effets de diffusion cohérente mais il est potentiellement possible d’orienter cette diffusion si le matériau réflecteur est anisotrope. Cette maitrise de la direction de diffusion peut permettre d’encore augmenter la brillance du modérateur.
Une première partie du travail consistera à identifier les matériaux nanostructurés les plus prometteurs et à modéliser les performances de réflectivité des neutrons froids. Dans une deuxième étape, ces matériaux seront mis en forme et leurs propriétés seront caractérisées sur des appareils de diffusion neutronique auprès d’installations de diffusion neutronique telles que l’ILL à Grenoble ou le PSI en Suisse.
Le CEA et le CNRS ont lancé une initiative de conception d’une nouvelle source de neutrons utilisant des accélérateurs de protons de basse énergie, le projet ICONE. L’objectif est de construire une installation qui offrira une suite instrumentale d’une dizaine de spectromètres mise à la disposition de la communauté scientifique française et européenne. Le projet est actuellement dans la phase d’Avant-Projet Détaillé avec pour objectif d’affiner autant que possible tous les aspects techniques.
Nous proposons une thèse sur la modélisation et le développement d'un nouveau spectromètre de diffusion neutronique pour les mesures de textures et de contraintes dans les matériaux. Cette technique permet de sonder les contraintes résiduelles dans les matériaux après la phase d’usinage, de traitement thermique et/ou d’utilisation, et de mesurer l’anisotropie cristallographique d’alliages pour tirer parti des propriétés mécaniques induites.
Une partie du travail profitera du démarrage des spectromètres DREAM et MAGIC à ESS en Suède auxquels le LLB a participé à la construction pour que le candidat se familiarise avec les techniques de diffusion neutroniques en temps de vol (mesures et analyses des données).
Dans une deuxième partie du travail nous proposons d’implémenter des techniques de modulation statistique pour la construction d’un instrument, CONTEXT, sur ICONE qui permettront d’exploiter au mieux le potentiel des pulses longs d’ICONE. L’objectif sera de créer un jumeau numérique du futur instrument à l’aide de différents outils de simulation Monte-Carlo.
Une méthode privilégiée pour réduire l’impact environnemental des structures ou l’empreinte énergétique des véhicules, est de diminuer la masse de matière nécessaire à leur fabrication, sans nuire à leur performance mécanique. L’avènement des métamatériaux mécaniques a ici amené une révolution majeure. Ces métamatériaux, souvent fabriqués par fabrication additive, prennent la forme de microtreillis. Intrinsèquement poreux, donc légers, l’arrangement géométrique des micropoutres ou microtubes qui les constituent (leur architecture), peut être sélectionné de manière à les rendre rigides, ce qui en font des candidats de choix pour des applications de haute technologie où le ratio rigidité sur densité est important, dans l’aérospatiale par exemple (https://fr.wikipedia.org/wiki/Micro-lattice).
Cependant, la majorité des métamatériaux développés jusqu’à présent reposent sur des architectures périodiques. En conséquence, leur comportement mécanique est intrinsèquement anisotropique, ce qui rend difficile leur modélisation à l’aide des approches conventionnelles développées en mécanique des matériaux, et limite fortement leur utilisation dans de nombreux domaines d’application. Nos récents travaux ont mis au point une nouvelle classe de métamatériaux en microtreillis avec une organisation aléatoire des micropoutres, générés par la combinaison d’algorithmes d’empilements aléatoires compacts et de triangulation de Delaunay puis fabriqués par impression 3D. Ces métamatériaux présentent un comportement mécanique localement isotrope, dont le rapport rigidité/densité atteint la limite théorique. Ils restent néanmoins fragiles, et sont peu résistants à la fracture et au flambage.
L’objectif de cette thèse est de renforcer les performances de ces métamatériaux en s’inspirant de certains mécanismes qui sous-tendent la physique des polymères et de la matière molle. La piste exploitée consiste à introduire de manière statistique mais contrôlée, des hétérogénéités de structure, aussi bien au niveau des nœuds (en modulant leur connectivité) qu’au niveau des micropoutres (en faisant varier leur section ou/et leur forme). Ces hétérogénéités localisées permettent d’introduire, à différentes échelles et de manière contrôlée, des dissipations mécaniques dans le réseau. Il s’agira dans cette thèse de caractériser expérimentalement les propriétés mécaniques de ces métamatériaux afin de les comparer à leurs homologues homogènes, et d’étudier leur résistance à la rupture. Les essais seront réalisés à l’aide d’un dispositif expérimental original, spécifiquement développé au sein du SPHYNX. Différentes techniques d’analyse seront employées pour suivre les déformations locales et détecter les événements de (micro)fissuration avec précision. Un volet théorique, complété par des simulations numériques s’appuyant sur des modèles de réseau de fusible et de poutre aléatoires, peut également être envisagé.
Ce projet interdisciplinaire, à forte composante expérimentale, demande une appétence forte pour l’instrumentation et le travail d’équipe. Des compétences en mécanique expérimentale, en science des matériaux et/ou en physique statistique sont souhaitées. Sans être indispensable, des connaissances en modélisation et en simulation numérique constitueraient un atout supplémentaire. Le caractère à la fois fondamental et appliqué de cette recherche offrira au futur doctorant ou à la future doctorante de nombreuses perspectives professionnelles, tant dans le milieu académique que dans l’industrie.