Quantification élémentaire reproductible en photoémission haute-énergie par soustraction de fond assisté par mesures REELS
La thèse a pour principal objectif d’affiner la méthodologie de quantification élémentaire des spectres de photoémission haute-énergie (HAXPES) pour atteindre des niveaux d’incertitude de 5% ou moins sur les mesures réalisées sur en intégrant, dans la méthodologie mise en place récemment, des données physiques matériau-dépendant et relatives aux pertes d’énergie inélastiques des photoélectrons (données REELS). La quantification réalisée avec ce protocole, affiné grâce à une étude sur des éléments purs, sera comparée à l’existant pour déterminer le gain en précision. Dans un second temps, il sera appliqué à des composés binaires, binaires dopées et ternaires d’intérêt technologique, par exemple pour la technologie FD-SOI; en parallèle, un travail d’alignement sera réalisé avec les mesures produites par un spectromètre en salle blanche sur les mêmes échantillons ; les aspects d’intégration seront étudiés avec des mesures sur boîtes de test. Notamment, ils viseront à étudier dans quelle mesure la composition mesurée par HAXPES sur un matériau élaboré en amont des étapes d’intégration des transistors (pour l’optimisation des procédés de dépôt) se compare à celle déterminée par d’autre techniques (sonde atomique tomographique, TEM-EDX, TEM-EELS) en fin d’intégration de dispositifs nanométriques.
Quantification des propriétés thermophysiques des sels fondus à haute température: apports des techniques laser
Les réacteurs à sels fondus font l’objet de travaux de recherche importants à l’échelle nationale et internationale, notamment pour évaluer leur potentiel en matière de gestion des actinides et des déchets nucléaires. La connaissance des propriétés des sels correspondants en fonction de la température est essentielle pour développer et opérer de tels réacteurs. Il s'agit notamment de mieux quantifier le point de fusion, la viscosité, la tension de surface, ou encore la conductivité thermique en fonction de la composition du sel dans la plage de température de 600°C à 800°C. La détermination de ces propriétés nécessite des expériences spécifiques et complexes (radioactivité, hautes températures, corrosion). Afin de surmonter les limitations actuelles des techniques de mesure et d'obtenir une évaluation aussi précise que possible de ces propriétés, il est proposé de développer un ensemble original d'expériences et de méthodologies reposant sur des techniques laser et optiques. Plus précisément, des lasers de haute puissance seront utilisés pour amener les sels à haute température, et des techniques d'imagerie, de spectrométrie, de thermographie et de pyrométrie seront déployées pour déterminer les propriétés d'intérêt grâce à la grande flexibilité offerte par ces techniques photoniques. L'approche proposée pour atteindre ces objectifs est de tester et valider les concepts dans un laboratoire d'optique (Institut Fresnel) et de développer les systèmes relatifs à l'application dans un laboratoire de haute activité, (objectif applicatif visé par le CEA), les expériences étant soutenues par une approche de modélisation complémentaire [voir par exemple : 1,2, 3].
Le travail de thèse se fera en collaboration entre l’Institut Fresnel de Marseille, et l’Institut de REcherche sur les Systèmes Nucléaires pour la production d'Energie bas carbone (IRESNE) du CEA/Cadarache.
La thèse permettra au doctorant d’acquérir des compétences en instrumentation optique, chauffage laser, métrologie à haute température, traitement d’images et modélisation numérique. Ces compétences pourront être valorisées dans la recherche publique ou industrielle, notamment dans les domaines de l’instrumentation, des matériaux et de l’énergie nucléaire.
Responsable CEA (encadrant) : Y. Pontillon
Références.
[1] Gabriel Aulanier, Matthieu Reymond, Thomas Doualle, Cihan Koc, Julien Lumeau, Yves Pontillon, Laurent Gallais, Development of a spectral ellipsometer for the investigation of the optical properties of mono- and polycrystalline UO2, Optics Continuum, vol. 5, 2647-2665, 2026
[2] Matthieu Reymonda,b, Thomas Douallea,b, Jerome Sercombea, Mathilde Roccaa, Mehdi Nasselahsena, Christian Colina, Yves Pontillona and Laurent Gallaisb, High power laser heating of nuclear ceramics for the generation of controlled spatio-temporal gradients, J. Appl. Phys. 134, 033101 (2023)
[3] T. Doualle, V. Le Guillous, V. Klosek, C. Onofri-Marroncle, M. Reymond, L. Gallais, Y. Pontillon, ‘Development of UO2 thermal diffusivity measurement with laser techniques’, EPJ Web of Conferences 253, 07005 (2021)
Développement de plateformes microfluidiques pour le suivi in situ de la radiolyse de solvants monoamides, en appui à la R&D du retraitement du combustible usé
Les monoamides (N,N-dialkylamides) sont étudiés comme alternative au TBP pour l'extraction liquide-liquide de l'uranium et du plutonium dans le recyclage des combustibles nucléaires usés. Leur qualification nécessite de connaître leur tenue aux rayonnements ionisants, essentielle à la robustesse des procédés.
Les études de radiolyse classiques, à l'échelle macroscopique, demandent de grands volumes de matières radioactives et offrent un contrôle limité du débit de dose et des conditions hydrodynamiques, avec de fortes contraintes de radioprotection. La microfluidique permet de réduire ces volumes et de mieux maîtriser les conditions expérimentales.
Cette thèse, menée avec un industriel du nucléaire dans le cadre de la chaire industrielle ORACLE (Outil microfluidique Reconfigurable Automatisé pour le Cycle du combustibLE), vise à concevoir et mettre en œuvre des systèmes microfluidiques pour contrôler précisément l'irradiation, le temps de contact et l'hydrodynamique lors de l'étude de la radiolyse de nouveaux solvants. Le candidat développera des plateformes dédiées aux essais de radiolyse (X, alpha, gamma) avec suivi in situ des produits de dégradation, en se rapprochant des conditions réelles d'un procédé de retraitement.
Ce sujet s'adresse à des étudiants rigoureux et intéressés par l'expérimentation en fin d'école d'ingénieur ou Master 2 en chimie analytique, chimie séparative, instrumentation ou microfluidique. Un esprit analytique et de bonnes capacités rédactionnelles seront également appréciés.
Algorithmes hybrides (classiques-quantiques) pour le calcul de fonctions de Green en physique nucléaire
La recherche en physique nucléaire théorique repose aujourd’hui sur le calcul haute performance pour réaliser des simulations ab initio des noyaux atomiques. Ces calculs permettent d’établir des prédictions systématiques, tant pour répondre à des questions fondamentales que pour le soutien aux activités expérimentales. Dans ce domain, des progrès considérables ont été réalisés ces dernières années. Ceux-ci ont amené l’équipe du CEA à accomplir, en 2026, le premier calcul ab initio du noyau lourd U-238.
Malgré ces avancées, les calculs ab initio de structure nucléaire et, en particulier, de réactions impliquant des noyaux lourds restent extrêmement difficiles. En même temps, l’informatique quantique émerge comme un nouveau paradigme de calcul susceptible de bouleverser les approches actuelles et de contribuer à lever certains des verrous numériques existants. Dans ce contexte, l’équipe du CEA a lancé, il y a quelques années, une activité de recherche consacrée aux algorithmes quantiques appliqués au problème nucléaire à N-corps.
Dans cette perspective à long terme, ce projet de thèse vise à développer des algorithmes quantiques permettant de calculer des quantités centrales de la théorie à N-corps, i.e. les fonctions de Green. Ces objets, qui encodent les corrélations entre les constituants d'un système en interaction, permettent d'étudier non seulement les propriétés statiques des noyaux mais se prêtent naturellement à la description de processus dynamiques, tels que les réactions nucléaires. Cette propriété les rend particulièrement intéressantes pour le calcul quantique, dans lequel l’évolution dynamique peut être encodée de manière assez naturelle.
Plus précisément, le projet portera sur des protocoles de calcul hybrides, i.e. combinant des opérations quantiques et classiques. Les algorithmes seront implémentés et testés sur des émulateurs quantiques et, dans la mesure du possible, sur des plateformes quantiques digitales. Les résultats de ce projet contribueront à définir les futures stratégies de calcul en théorie nucléaire.
Exploiter les données du LEP pour la fragmentation : une analyse des paires pi+pi- dans les collisions e+e- orientée TMD
La fragmentation, processus par lequel les quarks et les gluons se transforment en hadrons, ne peut pas être calculée à partir des premiers principes de la QCD et doit être extraite des données. Les fonctions de fragmentation dépendantes de l’impulsion transverse (TMDFF) sont particulièrement mal connues. L’observable la plus propre pour les contraindre est la distribution en impulsion transverse de paires pi+pi- quasiment dos à dos dans l’annihilation e+e-, mais aucune mesure de ce type n’existe. La récente mise à disposition publique des données et des logiciels de DELPHI via CERN Open Data la rend désormais possible. L’étudiant mettra d’abord en place l’accès aux données archivées du LEP (DELPHI ou ALEPH), puis extraira les distributions de paires de pions. Des simulations Pythia8 serviront à identifier l’observable la plus sensible aux TMDFF, et la mesure sera accompagnée d’un bilan complet des incertitudes. Le résultat sera intégré aux ajustements globaux TMD de la collaboration MAP, comme première donnée e+e-, et conduira aux TMDFF les plus précises à ce jour. Celles-ci sont des ingrédients clés des programmes de physique de l’EIC et du FCC-ee. Le projet est co-encadré par Valerio Bertone (théorie) et Francesco Bossù (expérience) au CEA/Irfu. Il associe David d’Enterria (CERN) et Ronan McNulty (UCD), avec l’implication directe du CERN et du groupe du MIT qui mène la réanalyse actuelle des données du LEP. Un candidat très motivé, qui a effectué son M1 avec l’équipe et réalise actuellement son M2 à Dublin, a déjà été identifié.
Lecture de qubits supraconducteurs à l'aide d'amplificateurs opérant à la limite quantique
Les processeurs quantiques supraconducteurs actuels, notamment ceux d'IBM et de Google, fonctionnent jusqu'à environ 20 mK mais restent limités en nombre de qubits, notamment par la difficulté à mesurer simultanément de nombreux qubits avec des chaînes de lecture compactes. Les amplificateurs cryogéniques conventionnels utilisent des semi-conducteurs dont la résistance électrique limite les performances. Ils sont alimentés en courant continu et nécessitent généralement un fonctionnement autour de 4 K pour dissiper la chaleur produite.
Le sujet de thèse consiste à concevoir de nouveaux amplificateurs cryogéniques paramétriques reposant sur des matériaux supraconducteurs afin de remplacer les amplificateurs à semi-conducteurs. Les dispositifs seront fabriqués dans la salle blanche du CEA-Leti, puis utilisés pour mesurer nos qubits supraconducteurs.
MODELE DE FONDATION POUR L'EXPERIENCE LHCB AU CERN
Au CERN, l’expérience LHCb observe des protons entrer en collision des dizaines de millions de fois par seconde et doit décider, en temps réel, quelles collisions conserver. Aujourd’hui, cela repose sur des milliers de petits programmes écrits à la main, un par signal de physique, une approche qui ne passe plus à l’échelle. En parallèle, l’IA a été révolutionnée par les « modèles de fondation », ces grands modèles derrière des outils comme ChatGPT : on entraîne un seul grand modèle une fois sur d’énormes données, puis on le réutilise pour de nombreuses tâches. Cette thèse demande si l’on peut construire un tel modèle pour LHCb : une IA unique qui apprend à « lire » une collision entière et peut ensuite servir à de multiples études de physique. Tu construirais la première version de ce modèle, l’entraînerais directement sur de vraies données du CERN (et non seulement sur des simulations, ce qui fait son originalité), et montrerais qu’il se transfère d’une tâche à l’autre en nécessitant beaucoup moins d’étiquetage manuel. En chemin, tu apprendrais l’IA moderne de façon concrète (PyTorch, entraînement sur GPU) et l’analyse de données d’une expérience majeure. Aucune expertise préalable en IA n’est requise : curiosité, bonnes bases en programmation et intérêt pour la physique ou l’apprentissage automatique suffisent. Le travail est accueilli au CEA/Irfu, aux côtés de l’équipe HEPfoundry qui développe des modèles de fondation pour la physique, avec le CERN/LHCb en partenaire.
Inférence variationnelle rapide pour la caractérisation précoce des binaires de trous noirs massifs avec LISA
Le projet d'observatoire spatial LISA (Laser Interferometer Space Antenna) est conçu pour détecter les ondes gravitationnelles à basse fréquence, principalement issues des collisions de trous noirs supermassifs. Comme ces binaires massives peuvent être observées des jours, voire des semaines avant leur fusion finale, LISA offre une opportunité inédite pour l'astronomie multi-messager : émettre des alertes précoces afin que les télescopes électromagnétiques traditionnels puissent cibler la bonne région du ciel et capturer cet événement explosif simultanément.
Cependant, la génération de ces alertes en temps réel pose un défi statistique majeur. En début d'observation, le signal encore faible produit des données très ambiguës et « multimodales » : les symétries physiques du détecteur font qu'un même signal peut sembler provenir de huit positions distinctes dans le ciel. Les méthodes d'échantillonnage statistiques classiques (telles que les chaînes de Markov Monte-Carlo) sont beaucoup trop lentes pour réactualiser ces prédictions dans le délai imparti de quelques minutes. À l'inverse, les réseaux de neurones conventionnels peinent à s'adapter à la nature imprévisible et évolutive d'un flux de données spatiales en direct, sujet aux interruptions.
Ce projet de thèse se situe à l'intersection de l'analyse de données astrophysiques, des statistiques bayésiennes et du machine learning scientifique pour relever ce défi. La personne recrutée développera une méthode d'inférence variationnelle (VI) séquentielle et rapide, transformant un processus d'échantillonnage lent en un problème d'optimisation accéléré sur GPU. En intégrant la physique du détecteur LISA directement dans l'algorithme, la méthode « repliera » l'espace des probabilités pour l'ajuster aux données entrantes, puis le « dépliera » pour fournir aux astronomes une carte multimodale en temps réel des zones à observer. Sur une durée de trois ans, la thèse fera évoluer cette approche d'apprentissage automatique guidée par la physique, depuis des modèles idéalisés jusqu'à un pipeline open-source robuste capable de traiter des données de mission réelles et bruitées, contribuant ainsi directement au système d'alerte précoce de LISA.
Micromegas à lecture optique: reconstruction événement par événement et détection durable
Les détecteurs Micromegas sont des détecteurs gazeux utilisés en physique des particules et en physique nucléaire. La lecture optique consiste à observer, à l’aide d’une caméra, la lumière émise lors de l’amplification des électrons dans le détecteur. Cette technique offre de nouvelles possibilités pour visualiser l’ionisation et reconstruire les événements, notamment les trajectoires des particules. Cependant, les mélanges gazeux utilisés reposent souvent sur le CF4, un gaz à fort impact climatique, ce qui motive la recherche de solutions alternatives.
L’objectif de cette thèse est de développer une nouvelle génération de Micromegas à lecture optique, permettant une reconstruction des événements événement par événement, tout en améliorant les performances et la durabilité du détecteur. Le travail portera sur l’optimisation de la production et de la collecte de lumière, le développement d’algorithmes de reconstruction d’images et l’étude de matériaux décalant la longueur d’onde (wavelength shifters). Ces matériaux pourraient permettre d’utiliser des mélanges gazeux sans CF4. Leur vieillissement et leur stabilité à long terme seront également étudiés. Enfin, un système de recirculation et de purification des gaz sera développé afin de réduire leur consommation.
Les résultats attendus sont la démonstration de nouvelles capacités de reconstruction optique, la validation de solutions permettant de réduire ou de supprimer l’utilisation du CF4 et le développement d’un prototype plus performant et durable. Ces avancées pourraient trouver des applications en imagerie neutronique, en imagérie beta et en physique de particules.
Développement et exploitation de la caméra POLARYS : Caractérisation instrumentale et extraction du signal astrophysique
Comprendre comment le gaz et les poussières du milieu interstellaire se transforment en étoiles et en systèmes planétaires constitue un enjeu majeur de l’astrophysique moderne. Les champs magnétiques jouent un rôle important dans ces processus, mais leur influence reste encore mal comprise. La mesure de la polarisation de l’émission thermique des poussières, dans le domaine submillimétrique, permet de cartographier l’organisation de ces champs magnétiques au sein des nuages moléculaires.
La caméra POLARYS, développée au CEA et destinée au télescope APEX au Chili, permettra de réaliser ces observations à 350 µm avec une sensibilité accrue. Elle utilisera une nouvelle génération de détecteurs cryogéniques, intrinsèquement sensibles à la polarisation, dont l’exploitation scientifique reste à démontrer.
L’objectif de cette thèse est de caractériser ces détecteurs et de développer les méthodes permettant d’extraire efficacement le signal astrophysique polarisé. Le travail associera des mesures expérimentales en laboratoire (sensibilité, bruit, réponse polarimétrique), la modélisation de la chaîne de détection et le développement d’outils de traitement du signal, notamment pour séparer l’émission astrophysique de la contribution atmosphérique. Il s’agira également d’optimiser les modes d’observation et les stratégies de calibration de la caméra.
La dernière partie de la thèse sera consacrée à l’exploitation des premières observations de POLARYS sur le ciel, prévues en 2030. Ce travail, à l’interface entre instrumentation et astrophysique, contribuera également à préparer l’exploitation de futurs instruments spatiaux, notamment ceux de la mission PRIMA.