Immobilisation de catalyseurs moléculaires pour la conversion du CO2
Le dioxyde de carbone, principal gaz à effet de serre, représente également une ressource abondante en carbone pouvant être valorisée en produits chimiques à forte valeur ajoutée. La réduction du CO2 par le dihydrogène est une voie classique, mais son coût énergétique reste élevé en raison de la forte énergie de dissociation de la liaison H–H. Une alternative repose sur l’utilisation d’hydrures inorganiques, tels que les hydrosilanes et les hydroboranes, dont les liaisons Si–H et B–H sont plus facilement activables. Ces composés permettent la réduction du CO2 dans des conditions plus douces via une étape d’hydrosilation catalysée en milieu homogène. Afin de mettre en place un cycle durable, les hydrures sont régénérés électrochimiquement à partir des chlorures de silyle. Dans une perspective de développement à grande échelle et de fonctionnement continu, la thèse vise à immobiliser les catalyseurs moléculaires sur des surfaces conductrices. L’objectif est de fonctionnaliser ces catalyseurs par l’introduction de groupes d’ancrage afin d’optimiser leur activité et d’augmenter la densité de sites actifs. Plusieurs stratégies chimiques et électrochimiques seront explorées. Les catalyseurs modifiés seront greffés puis caractérisés par des techniques physicochimiques et électrochimiques. Enfin, les performances des systèmes immobilisés seront évaluées en termes d’activité, de sélectivité et de stabilité, et comparées à celles des systèmes homogènes pour identifier les architectures les plus efficaces pour la valorisation du CO2.
Nouveaux qubits de spin pour le calcul quantique
La mémoire vive quantique (QRAM) est une ressource clé de l’informatique quantique, présente dans de nombreuses
propositions théoriques, mais qui n’a jamais fait l’objet d’une démonstration expérimentale. Une QRAM est une mémoire quantique dans laquelle
il est possible de lire ou d’écrire des informations quantiques dans une superposition de cellules de mémoire [1]. Un tel dispositif
constitue un outil puissant pour la mise en œuvre d’une multitude d’algorithmes quantiques, notamment l’algorithme de recherche de Grover
[2, 3], la chimie quantique [4, 5], la cryptographie quantique [6] et l’apprentissage automatique quantique
[7], et est considéré par beaucoup comme essentiel pour un futur ordinateur quantique. Sa réalisation s’est également avérée difficile
en raison de la complexité de la mise en œuvre de l’adressage quantique du stockage quantique [8, 9].
Ce projet de thèse s’inscrira dans le cadre d’un projet plus large en cours visant à développer une QRAM à partir de défauts de spin paramagnétiques individuels
à l’état solide couplés à des dispositifs supraconducteurs. L’objectif principal de ce projet est
d’étudier de nouveaux systèmes de spin et de nouvelles conceptions de dispositifs en vue de la réalisation d’une QRAM évolutive.
De nouvelles espèces de spin à rapport gyromagnétique élevé permettront d’atteindre de nouveaux régimes de couplage spin-circuit qui étaient
jusqu’alors inaccessibles. L’utilisation du silicium comme substrat permettra aux futurs dispositifs d’atteindre des
facteurs de qualité plus élevés et rendra possibles des architectures avancées en tirant parti de la maturité de la
fabrication des dispositifs en silicium. Des noyaux à spin élevé, tels que le 167Er, seront également étudiés, ce qui permettra de mener des expériences avec
des qudits à spin nucléaire à haute cohérence. Ces développements repousseront les frontières d’une nouvelle plateforme hybride
de dispositifs quantiques avec des possibilités excitantes à la fois pour des architectures de processeur quantique futures et pour des expériences de physique fondamentale.
Routeur quantique basé sur un circuit hybride spin-supraconducteur
La QRAM est une mémoire quantique dans laquelle il est possible de lire ou d’écrire des informations quantiques dans une superposition
de cellules de mémoire. Un tel dispositif constitue un outil puissant pour la mise en œuvre d’une multitude d’algorithmes quantiques
et est considéré par beaucoup comme essentiel pour un futur ordinateur quantique. Sa réalisation s’est toutefois avérée
difficile en raison de la complexité liée à la mise en œuvre de l’adressage quantique de la mémoire
quantique. Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre d’un effort visant à utiliser des techniques récemment développées en matière de
détection de spin unique, de spectroscopie et de contrôle cohérent afin de mettre au point un routeur quantique, la cellule unitaire d’une
QRAM, en utilisant les spins électroniques et nucléaires à l’état solide. Ce travail de thèse consistera à mettre en œuvre
des schémas de portes CSWAP sur des défauts d’erbium dans du tungstate de calcium afin de réaliser une cellule unitaire de
QRAM à quatre qubits.
Mesure et modélisation de l'activité chimique des composant de milieux complexes en hydrométallurgie
Les procédés d’extraction modernes reposent sur l’utilisation optimale de fluides complexes dont la compréhension détaillée reste trop empirique. Pour y palier, de nouveaux progiciels de simulation multi-échelle sont développés, avec un des inconnues à l’échelle mésoscopique, où l'agrégation des molécules, les structures d'interfaces (etc.) n’y sont pas bien compris. L’activité chimique est ici clé, puisqu’elle contrôle les processus d’échange et de transfert. La connaitre permet de valider ces progiciels. Il faut donc pouvoir la mesurer et analyser de manière fiable pour chaque composant, notamment ceux volatils. Nous avons proposé de le faire par mesure de leurs pressions partielles. Une première version d’un appareil microfluidique a ainsi été développée et brevetée qui permet de mesurer simultanément par spectroscopie infrarouge dans un guide d’onde creux, les pressions partielles des composants volatils. Ce dispositif expérimental prototype a été validé sur des systèmes simples. L’objectif de cette thèse est de démontrer le potentiel applicatif de cet outil unique pour la simulation et le développement rapide de procédés, en s’intéressant à des cas concrets importants, à la fois du point de vue expérimental que de celui de la modélisation. Ce type d’études serait totalement inédit et permettrait de vérifier expérimentalement pour la première fois les prédictions de stabilité de fluides complexes.
L’étudiant(e) en thèse devra dans un premier temps faire une mise à jours de la brique microfluidique. Il/elle l’utilisera ensuite pour mesurer les activités chimiques des fluides complexes précités et travaillera à l’interface avec Jean-François Dufrèche pour tester / valider / développer plus avant les progiciels. Dans un deuxième temps, à la NTU de Singapour et sous la co-direction du professor Alex Yan Qingyu (https://personal.ntu.edu.sg/alexyan/ ), il/elle utilisera la plateforme microfluidique dupliquée qui est actuellement assemblée, pour appliquer ces résultats au développement rapide d’un procédé d’extraction d’un métal critique issu du recyclage des composants électroniques des circuits imprimés (laboratoire commun SCARCE).
Résultats attendus : publications, progiciel propriétaire et brevets éventuels sur les nouveaux procédés développés.
Caractérisation in situ et en temps réel de nanomatériaux par spectroscopie de plasma
L'objectif de cette thèse est de développer un dispositif expérimental permettant de réaliser l'analyse
élémentaire in situ et en temps réel de nanoparticules lors de leur synthèse (par pyrolyse laser ou pyrolyse
par flamme). La spectrométrie d'émission optique de plasma induit par laser (Laser-Induced Breakdown
Spectroscopy: LIBS) sera utilisée pour identifier les différents éléments présents et de déterminer leur
stoechiométrie.
Les expériences préliminaires menées au LEDNA ont montré la faisabilité d'un tel projet et en particulier
l'acquisition d'un spectre LIBS d'une nanoparticule unique. Néanmoins le dispositif expérimental doit être
développé et amélioré afin d'obtenir un meilleur rapport signal sur bruit, de diminuer la limite de détection, de
tenir compte des différents effets sur le spectre (effet de taille des nanoparticules, de composition ou de
structure complexe), d'identifier et de quantifier automatiquement les éléments présents.
En parallèle, d'autres informations pourront être recherchées (via d'autres techniques optiques) comme la
densité de nanoparticules, la distribution de taille ou de forme.
Synthèse « bottom-up » de nanographène et étude de leurs propriétés optiques et électroniques
Ce projet s’inscrit dans le cadre d’un projet ANR, qui vise à synthétiser des nanoparticules de graphène parfaitement solubles et individualisées en solution et à les incorporer dans des dispositifs à électronique de spins. Pour cela, nous nous baserons sur l’expérience du laboratoire sur la synthèse et l’études des propriétés optiques des nanoparticules de graphène pour proposer des structures originales à plusieurs groupes de physiciens qui seront en charges de l’étude des propriétés optiques et électroniques et de la fabrication de dispositifs de type valve de spin.
Façonnage spatio-temporel de l'émission harmonique d'ordre élevé dans les cristaux nanostructurés
Nous proposons d’étudier la manipulation spatio-temporelle du rayonnement émis par la génération d’harmoniques d’ordre élevé, en mettant à profit les progrès des technologies de nanofabrication. L’approche consiste à transposer les méthodes développées pour les méta-optiques au régime de champs forts spécifique à la génération d’harmoniques. Le(la) candidat(e) devra explorer différentes stratégies de conception pour contrôler les propriétés spatio-temporelles de ce rayonnement, qui est intrinsèquement lié à la large bande spectrale des impulsions attosecondes. Ces concepts seront ensuite implémentés et validés expérimentalement. Ce projet a pour objectif de renforcer l’intégration de la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans des dispositifs optoélectroniques, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications en photonique ultrarapide.
Nouveaux concepts de réflecteurs de neutrons froids
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.
CONTEXT: instrumentation neutronique textures – contraintes pour ICONE
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.