Effets de Friction couplés de la mer de Dirac et du champ électromagnétique du vide sur des atomes en mouvement
Les fluctuations quantiques induisent des forces macroscopiques conservatrices telles que l'effet Casimir. Elles pourraient également provoquer des forces dissipatives, appelées friction du vide (ou friction quantique). Jusqu'à présent, cet effet de friction a été calculé en considérant uniquement les fluctuations électromagnétiques, c'est-à-dire sans tenir compte de la mer de Dirac. Ce projet est consacré à l'extension de nos recherches dans cette direction : les électrons, en tant que principaux contributeurs de l'interaction matière-champ, interagissent également avec les paires virtuelles électron-positron dans le vide quantique. Quelle part de la friction quantique, à température nulle ou finie du vide, pourrait être due à ce type d'interaction ? Une première étape consistera à adapter le cadre semi-classique actuel pour inclure la polarisation du vide et la création de paires. Ce faisant, on rencontrera des cut-offs de fréquence haute finie, traditionnellement liées à la création de paires virtuelles ; on déterminera ainsi une composante de friction liée au cut-off des intégrales de Fourier. Sur cette voie de recherche, on veillera à maintenir la cohérence mathématique de l'ensemble du cadre. Un objectif à plus long terme reste un traitement relativiste quantique complet et cohérent de la friction quantique au niveau atomique.
Cartographie des potentiels de surface des oxydes métalliques activées catalytiquement utilisés comme des photoanodes
Lors de la photoélectrolyse d’eau, le transfert de charges à l'interface photoanode/électrolyte est déterminé par l'alignement des bandes d'énergie, à la fois côté électrode et côté électrolyte. Le potentiel de surface de l’électrode joue un rôle majeur sur la courbure finale des bandes et par conséquent sur la séparation des charges à l’interface. Aussi appelé potentiel de surface électrochimique, il varie en fonction de l'environnement (vide, air, eau, etc.). L'objectif de cette thèse est d'aborder la réaction d’oxydation de l’eau (OER) à l'interface photoanode/électrolyte en termes de bandes d'énergie et en particulier du point de vue du potentiel de surface électrochimique. Ainsi, au cours de cette thèse, le doctorant caractérisera les potentiels de surface d'une série de photoanodes (oxydes métallique semiconducteurs activées catalytiquement) en contact avec différents environnements (vide, air à humidité variable, eau) et les corrélera à l'activité photoélectrochimique (PEC). L'activité du doctorant s'articulera autour de quatre axes : i) synthèse de photoanodes par voie chimique ; ii) caractérisation de l'activité photoélectrochimique ; iii) caractérisation par microscopie à force atomique (AFM) corrélée à la microscopie à force de Kelvin (KPFM) ; iv) spectromicroscopies de rayons X synchrotron (STXM, XPEEM) et photoémission à pression ambiante (NAP-XPS). L'étudiant sera accueilli au laboratoire SPEC du CEA-Saclay pendant toute la durée de sa thèse. Ses travaux s'inscrivent dans le cadre d'une collaboration de longue date entre SPEC et SOLEIL.
Analyse multi-modale par résonance magnétique nucléaire in situ des phénomènes électrochimiques dans des prototypes de batteries commerciales
Le développement des technologies de stockage d'énergie électrochimique est impossible sans une compréhension à l'échelle moléculaire des processus tels qu'ils se produisent dans les dispositifs commerciaux pratiques. Certains aspects de la conception des batteries, tels que la composition chimique et l'épaisseur des électrodes, ainsi que la configuration des collecteurs et des languettes de courant, influencent les distributions de densité de courant électronique et ionique et déterminent les limites cinétiques du transport ionique à l'état solide. Ces effets, à leur tour, modulent les performances et la longévité globales des batteries. Pour ces raisons, les résultats des tests de piles boutons conventionnelles ne convergent souvent pas vers des cellules commerciales hautes performances. Les préoccupations de sécurité liées à la forte densité énergétique et aux composants inflammables des batteries constituent un autre sujet crucial pour la conversion des énergies fossiles aux énergies vertes.
La spectroscopie et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM) sont exceptionnellement sensibles à l'environnement structurel et à la dynamique de la plupart des éléments présents dans les matériaux actifs des batteries.
Récemment, des méthodes de RMN et d'IRM à balayage de surface prêtes à l'emploi ont été introduites. Dans le cadre de la recherche électrochimique fondamentale, la fusion de deux concepts innovants et complémentaires au sein d'un dispositif multimodal (RMN-IRM) permettrait de proposer diverses solutions analytiques et des mesures fiables de la performance des batteries pour le monde universitaire et le secteur de l'énergie.
Ce projet vise à développer un cadre analytique avancé pour l'analyse in situ de phénomènes fondamentaux tels que le transport d'ions à l'état solide, l'intercalation et les transitions de phase associées, la dynamique du placage métallique, la dégradation des électrolytes et les défauts mécaniques dans les batteries Li-ion et Na-ion commerciales, dans diverses conditions de fonctionnement. Une gamme de capteurs multimodaux (RMN-IRM) sera développée et utilisée pour l'analyse approfondie des processus électrochimiques fondamentaux dans les cellules et les petits packs de batteries commerciaux.
Détection ultrarapide par qubits volants électroniques et de Majorana
Une voie émergente pour l’information quantique consiste à utiliser des charges électroniques volantes, comme les excitations électroniques, en tant que qubits.
Ces qubits volants présentent un avantage majeur : l’interaction de Coulomb intrinsèque, permettant des portes logiques à deux qubits et des applications en détection quantique.
Par rapport aux qubits photoniques, ils offrent donc un levier naturel pour dépasser certaines limitations fondamentales.
Leur principal inconvénient réside dans la décohérence rapide, mais cette difficulté peut être atténuée en opérant à des échelles ultrarapides, de l’ordre de la picoseconde.
Une stratégie supplémentaire consiste à exploiter la protection topologique apportée par les modes de Majorana, quasi-particules non-Abéliennes insensibles aux perturbations locales.
Jusqu’ici, la majorité des travaux se sont concentrés sur des modes 0D localisés (aux extrémités de nanofils supraconducteurs), sans démonstrations expérimentales concluantes.
Notre projet de thèse propose une approche nouvelle, fondée sur les modes de Majorana chiraux 1D, constituant une voie vers des qubits volants protégés topologiquement.
L’ambition est de bâtir une plateforme inédite de calcul et de détection quantiques.
Cette plateforme exploitera le graphène multicouche, où peuvent être combinés effet Hall quantique anormal, supraconductivité et modes de Majorana chiraux.
Synthèse et études des propriétés optiques de nanoparticules de graphène
Depuis sa découverte qui a valu le Prix Nobel de Physique à A. Geim et K. Novoselov en 2010, le graphène a provoqué l’engouement de la communauté scientifique. À cause de ces propriétés électroniques, le graphène est vu comme un matériau de choix pour de très nombreuses applications : électronique/optoélectronique rapide et flexible, électrode ou matériau actif dans le domaine des énergies renouvelables (photovoltaïque, piles à combustible, supercondensateurs).
Pour de nombreuses applications, il convient d’être capable de modifier et de contrôler les propriétés électroniques du graphène. Ceci peut être réalisé grâce à l’apport de la chimie organique. Dans ce sujet, nous proposons de synthétiser des motifs graphéniques en particulier: des nanoparticules de graphène et d’étudier leurs propriétés d’absorption et d’émission dans l’IR. Nous nous intéresserons particulièrement à des familles de nanoparticules allongées dans le but d'étudier comment la taille peut permettre d'observer et contrôler des processus multiexcitoniques dans ces matériaux. Ce projet sera développé en collaboration avec des physiciens, le/la candidat(e) devra donc avoir un gout prononcé pour le travail pluridisciplinaire.