Radiothérapie VHEE avec des faisceaux d'électrons issus d'un accélérateur laser-plasma
Les programmes de recherche menés au sein du Laboratoire Interactions et Dynamique des Lasers (Lidyl) du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) visent à comprendre les processus fondamentaux impliqués dans les interactions lumière-matière et leurs applications. Au sein du CEA-LIDYL, le groupe Physique à Haute Intensité (PHI) étudie les interactions laser-matière à des intensités extrêmes, pour lesquelles la matière se transforme en plasma ultra-relativiste. À l'aide de la théorie, de simulations et d'expériences, les chercheurs développent et testent de nouveaux concepts pour contrôler l'interaction laser-plasma dans le but de produire de nouvelles sources d'électrons relativistes et de lumière attoseconde X-UV, pouvant avoir des applications en recherche fondamentale, médecine ou pour l'industrie.
En collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), le groupe contribue fortement au développement du code WarpX utilisé pour la modélisation haute fidélité des interactions laser-matière. Il est également à l'origine de l'étude et du contrôle de composants optiques remarquables appelés "miroirs - plasma", qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de forte puissance avec un contraste élevé sur une cible initialement solide. Au cours des cinq dernières années, le groupe PHI a développé des concepts fondamentaux exploitant les miroirs plasma pour manipuler la lumière extrême afin de repousser les frontières de la science à haut champ. L'un de ces concepts utilise les miroirs plasma comme injecteurs de haute charge pour augmenter la charge produite dans les accélérateurs laser-plasma (LPA) afin de permettre leur utilisation pour des études médicales, telles que la radiothérapie par électrons de très haute énergie (VHEE). Ce concept est mis en œuvre au CEA sur l'installation laser UHI100 100 TW en 2025 pour délivrer des faisceaux d'électrons de 100 MeV - 200 MeV avec 100 pC de charge/impulsion pour l'étude du dépôt à haut débit de dose d'électrons VHEE sur des échantillons biologiques.
Dans ce contexte, le doctorant utilisera notre outil de simulation WarpX pour optimiser les propriétés du faisceau d'électrons produit par les LPA pour les études VHEE (qualité du faisceau d'électrons et énergie finale). Il étudiera ensuite la manière dont le faisceau d'électrons des LPA dépose son énergie dans des échantillons d'eau (en tant que milieu biologique) à l'aide de Geant4. Cela permettra d'évaluer le dépôt de dose à un débit de dose très élevé et de développer de nouvelles techniques de dosimétrie pour les faisceaux d'électrons LPA VHEE. Enfin, la production et le devenir des espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans l'eau seront étudiés à l'aide de la boîte à outils Geant4-DNA. Ce module dispose principalement de données tabulées à des énergies d'électrons inférieures à 10 MeV et nécessitera donc des mesures de la section transversale des processus d'ionisation de l'eau à partir d'expériences à 100 MeV. Ces mesures seront effectuées sur le laser UHI100 100 TW par le groupe DICO du CEA-LIDYL, en collaboration avec le groupe PHI.
Miroirs plasmas: vers des sources lumineuses d'intensités extrêmes et des accélerateurs d'électrons compacts de haute-qualité
Les programmes de recherche menés au sein du Laboratoire Interactions et Dynamique des Lasers (Lidyl) du Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) visent à comprendre les processus fondamentaux impliqués dans les interactions lumière-matière et leurs applications. Au sein du CEA-LIDYL, le groupe Physique à Haute Intensité (PHI) étudie les interactions laser-matière à des intensités extrêmes, pour lesquelles la matière se transforme en plasma ultra-relativiste. À l'aide de la théorie, de simulations et d'expériences, les chercheurs développent et testent de nouveaux concepts pour contrôler l'interaction laser-plasma dans le but de produire de nouvelles sources d'électrons relativistes et de lumière attoseconde X-UV, avec des applications potentielles en recherche fondamentale, médecine et pour l'industrie.
En collaboration avec le Lawrence Berkeley National Laboratory, le groupe est l'un des principaux développeurs des codes exascales Particle-In-Cell (PIC) WarpX/PICSAR pour la modélisation haute fidélité des interactions laser-matière. Il est également à l'origine de l'étude et du contrôle de composants optiques remarquables appelés "miroirs - plasma", qui peuvent être obtenus en focalisant un laser de forte puissance avec un contraste élevé sur une cible initialement solide. Au cours des cinq dernières années, le groupe PHI a développé deux concepts exploitant les miroirs plasma pour manipuler la lumière extrême afin de repousser les frontières de la science de haut niveau. Le premier concept utilise des miroirs plasma relativistes pour amplifier l'intensité des lasers existants par des ordres de grandeur et sonder de nouveaux régimes de l'électrodynamique quantique à champ fort (SF-QED). Le second utilise des miroirs plasma comme injecteurs de charge élevée pour augmenter la charge produite dans les accélérateurs laser-plasma (LPA) afin de permettre leur utilisation pour des études médicales, des applications industrielles et la recherche fondamentale (conception de collisionneurs, collisions électron-laser pour les études SF-QED).
Dans ce contexte, le candidat au doctorat aura pour tâche d'améliorer d'abord notre outil de simulation WarpX pour accélérer les simulations de miroirs à plasma. Il utilisera ensuite WarpX pour optimiser l'utilisation des miroirs plasma comme amplificateurs d'intensité pour l'étude de la SF-QED. En collaboration avec l'équipe de Brigitte Cros au CNRS et dans le cadre de la conception de nouveaux collisionneurs basés sur des accélérateurs laser-plasma (LPA), le doctorant étudiera et optimisera l'utilisation de miroirs plasma comme composants optiques pour le couplage de plusieurs étages LPA. Cela sera crucial pour développer des schémas d'accélération compacts qui peuvent être mis à l'échelle pour produire des faisceaux d'électrons de haute énergie et de haute qualité.
Vers le couplage fort entre un spin unique et un résonateur supraconducteur par hyper-focalisation magnétique
La résonance magnétique est un outil non invasif central dans de nombreux domaines, allant de la médecine (IRM) à la chimie analytique,en passant par le calcul quantique, où elle permet de contrôler et de lire des qubits à base de spins. Cette méthode souff re toutefoisd’une faible sensibilité, nécessitant l’observation d’un grand nombre de spins pour extraire un signal détectable. Les progrès récents destechnologies quantiques supraconductrices ont permis de surmonter cette limitation en améliorant la sensibilité de plus de dix ordres degrandeur, notamment grâce à la combinaison de l’eff et Purcell et de nouveaux capteurs : les compteurs de photons micro-ondes.
Ce projet s’inscrit dans cette dynamique en développant une plateforme supraconductrice innovante pour la lecture rapide et effi cace despins électroniques uniques, fondée sur un renforcement du couplage spin-résonateur par hyper-focalisation du champ magnétique.
Grâce à une géométrie originale de type condensateur à plaques parallèles, dotée d’un nanofi l central, le champ magnétique du modemicro-onde peut être concentré dans une région de quelques centaines de nanomètres. Cela permet d’augmenter localementl’interaction entre le champ et les spins électroniques situés juste en dessous. L’objectif central du projet est d’améliorer le facteur dePurcell de deux ordres de grandeur, en le faisant passer de 10¹³ à 10¹5, afi n de réduire drastiquement le temps de détection des spins etpotentiellement d’atteindre un régime de couplage fort au niveau du spin unique.
Le projet ciblera dans un premier temps les ions Er³? implantés dans des cristaux tels que CaWO4, Y2SiO5 ou directement dans lesilicium, dans la perspective d’une intégration future à des architectures de calcul quantique hybride combinant circuitssupraconducteurs et mémoires quantiques à spins. Dans un second temps, la plateforme sera étendue à des systèmes de spinsparamagnétiques réels, tels que des radicaux organiques ou des centres métalliques de protéines, ouvrant ainsi des perspectivesinédites en spectroscopie quantique de composés complexes, bien au-delà des systèmes modèles traditionnellement étudiés.
S’appuyant sur l’expertise du groupe Quantronique du CEA Saclay en circuits supraconducteurs, nanofabrication, cryogénie et détectionde photons micro-ondes uniques, le projet off rira au doctorant une formation complète, à l’interface de la physique expérimentale, desnanosciences et de l’information quantique, au sein d’un environnement de recherche de tout premier plan.
Évaluation des revêtements de surface nanométriques sur les électrodes positives à haute densité énergétique pour batteries lithium-ion.
Les oxydes lamellaires riches en nickel LiNi1-x-yMnxCoyO2 (NMC) et LiNi1-x-yCoyAlzO2 (NCA) sont des matériaux exceptionnels pour l’électrode positive des batteries au lithium grâce à leur grande capacité de stockage réversible. Toutefois, dans les conditions réelles d’utilisation, des réactions indésirables peuvent entraîner la dissolution des métaux de transition et la fracturation des électrodes, affectant ainsi leurs propriétés électrochimiques. Ces phénomènes sont associés à la présence d’acide fluorhydrique (HF) dans l’électrolyte, principalement due à la dégradation du sel LiPF6. Pour résoudre ces problèmes, des traitements de surface sont nécessaires pour protéger le matériau actif et améliorer les performances. Le projet EVEREST propose une méthode innovante, flexible et abordable pour créer des revêtements nanométriques inorganiques. Cette méthode repose sur une technique récente, l’électrofilage coaxial, qui permet de produire des nanofibres possédant une structure cœur-gaine bien définie. Nous proposons d'évaluer l'impact des paramètres de mise en forme des nanofibres sur la morphologie, les performances électrochimiques et le mécanisme sous-jacent. Les performances électrochimiques des matériaux revêtus et vierges seront comparées dans une demi-cellule avec Li métal comme contre électrode. Les processus redox, les mécanismes de transfert de charges et les modifications structurelles seront étudiés en mode operando grâce au faisceau synchrotron.
Courants de spin ultrarapides et oxydes ferroïques
Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la spintronique ultrarapide et de l’étude des courants de spin à des échelles de temps sub-picosecondes. Les courants de spin purs suscitent un intérêt croissant en raison de leur rôle central dans le développement de dispositifs spintroniques de nouvelle génération. Face à l’explosion de la consommation de données, les technologies de l’information et de la communication doivent désormais traiter des volumes toujours plus importants, à des vitesses accrues et avec une consommation énergétique minimale.
Dans ce contexte, la manipulation ultrarapide de l’information constitue un enjeu majeur. Les courants de spin purs présentent plusieurs avantages décisifs : en plus de se propager sans dissipation, ils peuvent aujourd’hui être générés, transmis et détectés à des échelles de temps de l’ordre de quelques centaines de femtosecondes. Cette avancée ouvre la voie à l’émergence de composants et dispositifs spintroniques ultrarapides, potentiellement opérationnels dans la gamme térahertz. L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier les mécanismes fondamentaux impliqués dans la génération et la propagation des courants de spin purs aux échelles de temps picosecondes et sub-picosecondes, avec un intérêt particulier pour les oxydes ferroïques. Ces matériaux présentent une grande diversité de propriétés remarquables et ajustables, ce qui en fait des systèmes idéaux pour la fonctionnalisation des courants de spin ultrarapides et pour relever les défis sociétaux de demain.
Le cœur du travail de thèse consistera à mettre en œuvre des techniques d’optique et de magnéto-optique résolues en temps, afin de sonder la dynamique magnétique ultrarapide de couches minces épitaxiées d’oxydes ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Les résultats attendus visent à lever plusieurs verrous scientifiques : d’une part, l’ajustabilité de la génération de courants de spin ultrarapides via la demi-métallicité de certains oxydes ferromagnétiques ; d’autre part, le contrôle de la propagation de l’information de spin à des fréquences térahertz dans les oxydes antiferromagnétiques.
Synthèse de nanodiamants à façon pour la production d'hydrogène par photocatalyse
Les nanoparticules de diamant (nanodiamants) sont utilisées en nanomédecine, dans les technologies quantiques, les lubrifiants et les composites avancés [1-2]. Nos résultats récents montrent que le nanodiamant peut également agir comme photocatalyseur, permettant la production d'hydrogène sous illumination solaire [3]. Malgré sa large bande interdite, sa structure de bande est adaptable en fonction de sa nature et de la chimie de sa surface [4]. De plus, l'incorporation contrôlée de dopants ou de carbone sp2 conduit à la génération d'états dans la bande interdite qui améliorent l'absorption de la lumière visible, comme l'a montré une étude récente impliquant notre groupe [5]. Les performances photocatalytiques des nanodiamants dépendent donc fortement de leur taille, de leur forme et de leur concentration en impuretés chimiques. Il est donc essentiel de développer une méthode de synthèse de nanodiamants « sur mesure »,dans laquelle ces différents paramètres peuvent être finement contrôlés, afin de fournir un approvisionnement en nanodiamants «contrôlés », qui fait actuellement défaut.
Cette thèse vise à développer une approche bottom-up pour la croissance de nanodiamants en utilisant un template sacrificiel (billes de silice) sur lequel des germes de diamant < 10 nm sont fixés par interaction électrostatique. La croissance de nanoparticules de diamant à partir de ces germes sera réalisée par dépôt chimique en phase vapeur assisté par micro-ondes (MPCVD) à l'aide d'un réacteur rotatif développé au CEA NIMBE. Après la croissance, les CVD-NDs seront collectés après dissolution du template sacrificiel. Des expériences préliminaires ont démontré la faisabilité de cette approche avec la synthèse de nanodiamants facettés de <100 nm(appelés CVD-ND).
Au cours de la thèse, la nature des germes de diamant (nanodiamants [taille ˜ 5 nm] synthétisés par détonation ou HPHT, ou dérivés moléculaires de l'adamantane) ainsi que les paramètres de croissance CVD seront étudiés afin d'obtenir des CVD-NDs mieux contrôlés en termes de cristallinité et de morphologie. Les nanodiamants dopés au bore ou à l'azote seront également étudiés, en jouant sur la composition de la phase gazeuse. La structure cristalline, la morphologie et la chimie de surface seront étudiées au CEA NIMBE à l'aide du MEB, de la diffraction des rayons X et des spectroscopies Raman, infrarouge et de photoélectrons. Une analyse détaillée de la structure cristallographique et des défauts structurels sera effectuée par microscopie électronique à transmission à haute résolution(collaboration). Les FNDs CVD seront ensuite exposés à des traitements en phase gazeuse (air, hydrogène) afin de moduler leur chimie de surface et de les stabiliser dans l'eau. Les performances photocatalytiques pour la production d'hydrogène sous lumière visible de ces différents CVD-NDs seront évaluées et comparées en utilisant le réacteur photocatalytique récemment installé au CEA NIMBE.
Références
[1] Nunn et al., Current Opinion in Solid State and Materials Science, 21 (2017) 1.
[2] Wu et al., Angew. Chem. Int. Ed. 55 (2016) 6586.
[3] Marchal et al., Adv. Energy Sustainability Res., 2300260 (2023) 1-8.
[4] Miliaieva et al., Nanoscale Adv. 5 (2023) 4402.
[5] Buchner et al., Nanoscale 14 (2022) 17188.
Polymérisation et diffusion de l'hémoglobine dans des composés mixtes HbYxHbS(1-x) avec Y=At, A0, F…
La drépanocytose (SCD) est une maladie génétique du sang provoquant une anémie. Elle résulte de la polymérisation d'une hémoglobine mutée (HbS), la protéine transporteuse d'oxygène présente dans les globules rouges (GR), qui provoque la déformation des cellules biconcaves souples en une forme de faucille rigide lorsqu’elle est désoxygénée. Les cellules déformées induites par la polymérisation vont obstruer les capillaires sanguins, ce qui induit une augmentation de la pression artérielle et à terme une dégénérescence des différents organes. Les traitements pharmacologiques de la drépanocytose comprennent l'hydroxyurée, une molécule qui favorise la synthèse de l'hémoglobine fœtale (HbF) qui conduit à un mélange d'hémoglobine HbFxHbS(1-x) dans le sang, l'HbF inhibant partiellement la polymérisation de l'HbS. La thérapie génique est également utilisée pour le traitement de cette maladie en stimulant la production d'hémoglobine thérapeutique (HbAt) ou d'hémoglobine normale (HbA0). En collaboration avec le Service des Maladies Génétiques des Globules Rouges de l'hôpital Henri-Mondor, nous proposons d'étudier l'effet de l'ajout de différents types d'hémoglobine sur le processus de polymérisation ainsi que la cinétique de capture de l'oxygène au niveau des globules rouges. Cette étude modèle est directement liée aux traitements développés pour guérir cette maladie et vise à tenter de mieux les comprendre d’un point de vue moléculaire.
Suivi de l'interface électrode-électrolyte et de l'activité redox dans les batteries Na-ion à électrolytes aqueux concentrés
Les électrolytes aqueux concentrés (WISE pour Water-In-Salt Electrolyte) permettent d'augmenter considérablement la fenêtre de potentiel des batteries Li aqueuses. Ceci s’explique par l'absence de molécules d'eau libres, tandis que les interfaces semblent jouer un rôle crucial. Alors que les WISEs ouvrent la voie à des systèmes durables, les solutions à base de Li utilisent des sels coûteux et toxiques. Pour aller vers des éléments plus durables, le sodium, moins cher et plus abondant peut être envisagé. Toutefois, une compréhension fondamentale des réactions en jeu dans les batteries Na basées sur les WISEs, en particulier aux interfaces, est
nécessaire pour rendre ces systèmes aqueux viables. Le projet vise à identifier les réactions se produisant aux interfaces entre les électrodes et l'électrolyte dans les batteries Na-ion aqueuses WISE, ainsi que le comportement redox des électrodes dans ces solutions.
Pour ce faire, nous utiliserons des techniques de pointe in situ/operando, à savoir la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) à SOLEIL. Le/la doctorant(e) développera/adaptera en premier lieu des cellules dédiées pour effectuer ces mesures. Il/elle mènera ensuite une étude approfondie de la réactivité des électrodes et des interfaces dans les batteries Na-ion
à base de WISEs. Ceci permettra de mieux comprendre le comportement des électrodes ainsi que la composition chimique des interfaces, leurs mécanismes de formation et leur stabilité en cyclage.
Développement de photoréacteurs microfluidiques pour l’évaluation reproductible et quantitative de matériaux photoactifs, couplés à l’analyse en ligne par spectrométrie de masse et chromatographie en phase gazeuse
La mise au point de matériaux photoactifs performants (catalyseurs, semi-conducteurs, films sensibles) pour la conversion chimique sous irradiation lumineuse nécessite des méthodes d’évaluation à la fois précises, reproductibles et quantitatives. Les approches classiques en batch souffrent de limitations importantes : faible maîtrise du temps de séjour, gradients de température ou de lumière, faible surface spécifique exposée, et reproductibilité variable. Dans ce contexte, les photoréacteurs microfluidiques offrent une alternative prometteuse pour le criblage structuré et l’évaluation fine de matériaux photoactifs, notamment grâce à leur rapport surface/volume élevé, leur contrôle du débit et leur géométrie adaptable à diverses configurations d’irradiation.
Cette thèse, en lien avec le projet SUNRISE du PEPR LUMA, vise à concevoir, fabriquer et caractériser des microréacteurs photoniques spécifiquement adaptés à l’évaluation rigoureuse de matériaux photoactifs. L’objectif est de créer une plateforme capable de générer des données quantitatives et comparables sur les performances et la stabilité de ces matériaux, en conditions bien définies de débit, d’irradiation, et d’environnement réactionnel, puis de les coupler à des techniques analytiques de haut niveau (GC, MS) pour l’identification en ligne des produits générés.
Nous proposons de développer 4 axes au cours de ce projet de thèse : 1) développement, caractérisation et optimisation de la plateforme microfluidique pour la mesure en ligne de liquide et de gaz; 2) Mise en place de protocoles de dépôt des matériaux photoactifs 3) évaluation des performances photochimiques et validation du système avec des échantillons fournis (partenaires de SUNRISE) et sur la dégradation de polluant par photochimie (collaboration avec une thèse en cours au laboratoire) et 4) couplage du réacteur à des méthodes d’analyse en ligne (GC, MS).
Ecoulements géophysiques turbulents au-dessus d'une topographie
Le projet vise à étudier l'organisation à grande échelle et le bilan énergétique d'écoulements océaniques modèles au-dessus d'une topographie aléatoire. Dans un premier temps, nous étudierons la dissipation engendrée par la présence de topographie et son impact sur les propriétés de transport d'une parcelle idéalisée d'océan. Pour ce faire, nous considérerons des modèles théoriques et numériques de complexité croissante. Au-delà de la seule dissipation d'énergie, on s'efforcera de caractériser l'organisation spatiale de l'écoulement turbulent à l'aide d'outils issus de la mécanique statistique. Une partie du projet consistera à adapter ces outils à des écoulements forcés et dissipatifs.