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. 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.
Renforcement à la fracture de métamatériaux d’architecture aléatoire par des hétérogénéités de structure
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.
Étude des interactions entre les sels de lanthanides et les systèmes lipidiques
Les interactions lanthanide–lipide ont suscité un vif intérêt en raison de leur importance dans les applications biophysiques et technologiques, notamment l’imagerie par résonance magnétique, le marquage cellulaire par fluorescence et la vectorisation de médicaments. Ce projet vise à étudier les interactions entre différents sels de lanthanides (LnX3, où X = Cl-, ClO4-, NO3-, etc.) et des agrégats lipidiques, en se concentrant sur les phénomènes de précipitation et de gélification qui se produisent lorsque leur concentration dépasse un certain seuil. La compréhension de ces phénomènes est essentielle pour l’étude de l’auto-assemblage et du comportement de phase dans les systèmes de matière molle. En examinant la manière dont les ions lanthanides interagissent avec les agrégats lipidiques — notamment en présence de différents anions — cette étude cherche à élucider leurs rôles dans l’induction de la précipitation et de la gélification. À cette fin, une combinaison de techniques spectroscopiques, de diffusion, de microscopie et de rhéologie sera employée pour caractériser les interactions moléculaires au sein des systèmes lanthanide–phospholipides. Ces recherches fourniront des informations sur les propriétés structurales et dynamiques de ces systèmes et soutiendront leur application dans des contextes à la fois biophysiques et technologiques.
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.
Comprendre les signaux émis par les liquides en mouvement
L'élasticité est l'une des plus anciennes propriétés physiques de la matière condensée. Elle s'exprime par une constante de proportionnalité G entre la contrainte appliquée (s) et la déformation (?) : s = G.? (loi de Hooke). L'absence de résistance à la déformation de cisaillement (G' = 0) indique un comportement de type liquide (modèle de Maxwell). Longtemps considérée comme spécifique aux solides, l'élasticité de cisaillement a récemment été identifiée dans les liquides à l'échelle submillimétrique notamment mis en évidence par un groupe au Laboratoire Léon Brillouin [1].
L'identification de l'élasticité de cisaillement des liquides (G' non nul) est une promesse de découverte de nouvelles propriétés liquides. Nous avons ainsi montré qu'un liquide confiné change de température sous l'effet d'un écoulement. Pourtant, aucun modèle classique (Poiseuille, Navier-Stokes, Maxwell) ne prédit cet effet, car sans corrélation à longue portée entre les molécules (c'est-à-dire sans élasticité), l'écoulement est dissipatif, donc athermique. Pour qu'un changement de température soit induit par l'écoulement (sans source de chaleur), le liquide doit présenter une élasticité et cette élasticité doit être sollicitée mécaniquement [1,2]. La thèse de doctorat explorera la conversion de l'énergie mécanique de l'écoulement en températures hors-équilibre (Non-Fourier) [2]. Nous exploiterons notamment cette capacité de conversion pour développer une nouvelle génération de systèmes microfluidiques (brevet FR2206312).
Nous explorerons également l'impact du mouillage sur l'écoulement et, réciproquement, nous examinerons comment l'écoulement liquide modifie la dynamique solide (THz) du substrat [3]. Des méthodes performantes, disponibles uniquement dans les Très Grandes Installations de Recherche (TGIR) comme l'ILL, seront utilisées pour sonder la dynamique hors-équilibre des phonons. Enfin, nous renforcerons nos collaborations existantes avec des théoriciens.
Le sujet de thèse porte sur le mouillage, les effets thermiques macroscopiques, la dynamique des phonons et le transport liquide.
Références:
1. A. Zaccone, K. Trachenko, “Explaining the low-frequency shear elasticity of confined liquids" PNAS, 117 (2020) 19653–19655. Doi:10.1073/pnas.2010787117
2. E. Kume, P. Baroni, L. Noirez, “Strain-induced violation of temperature uniformity in mesoscale liquids” Sci. Rep. 10 13340 (2020). Doi: 10.1038/s41598-020-69404-1.
3. M. Warburton, J. Ablett, P. Baroni, JP Rueff, L. Paolasini, L. Noirez, “Identification by Inelastic X-Ray scattering of bulk alteration of solid dynamics due to Liquid Wetting”, J. of Molecular Liquids 391 (2023) 123342202.
Intégration des Nanotubes de carbone alignés dans les batteries sans anode : mécanisme et optimisation des cellules
Les batteries sans anode ou à anode libre suscitent un intérêt croissant en raison de leur excellente densité énergétique, de leur faible coût et de la facilité de mise à l’échelle de leur procédé de fabrication. L’exploration des batteries sans anode pourrait offrir une avancée majeure dans le domaine du stockage de l’énergie, en utilisant la réserve de lithium déjà présente dans la cathode NMC pour effectuer des cycles réversibles après un processus de formation initial. Cette approche permettrait de réduire l’épaisseur globale, le nombre d’étapes de traitement et le coût des matériaux, tout en offrant une excellente densité énergétique. Les nanotubes de carbone alignés verticalement (VACNTs) sur des substrats métalliques peuvent représenter un choix intéressant pour cette application en raison de leur faible épaisseur, de la reproductibilité de leur processus de synthèse et de leurs propriétés de surface uniformes, qui ont déjà démontré leur intérêt applicatif dans le domaine des supercondensateurs. Dans ce projet de doctorat, nous explorerons une nouvelle voie d’application : les batteries sans anode, où les VACNT servent de substrat de dépôt pour le lithium ou le sodium. Nous étudierons l’électrochimie des VACNTs dans les batteries lithium sans anode (avec électrolytes liquides et solides) ainsi que dans les batteries sodium sans anode avec électrolyte liquide. Le doctorant travaillera sur l’optimisation de la synthèse des VACNTs afin d’ajuster leur épaisseur et leur densité pour les adapter à leurs propriétés électrochimiques. Des études post-cyclage (Raman et MEB) seront menées afin d’analyser l’effet du cyclage et des électrolytes sur les couches de VACNTs. L’objectif du projet est d’explorer les opportunités d’application des VACNTs dans divers systèmes de stockage d’énergie, ce qui pourrait ouvrir de nouvelles perspectives d’utilisation et de valorisation.
Étude de l’interaction matière-lumière structurée : role des moments angulaires de la lumière et de la chiralité locale en régime attoseconde
Les progrès récents de l’optique ultra-rapide et la maîtrise d’interactions lumière-matière extrêmement non linéaires permettent aujourd’hui de générer des impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10?¹8 s) via la génération d’harmoniques d’ordre élevé (GHOE). Ce processus convertit une impulsion laser femtoseconde en un rayonnement cohérent et ultrabref dans l’extrême ultraviolet (XUV, 10–150 eV). Ces sources uniques permettent d’accéder aux dynamiques électroniques à des échelles sub-femtosecondes et de sonder des transitions spécifiques à chaque élément, auparavant accessibles uniquement sur des installations comme les synchrotrons. Le groupe Attophysique du LIDYL, pionnier dans la génération, la caractérisation et l’utilisation d’impulsions attosecondes, a récemment développé des sources pilotées par des faisceaux portant un moment angulaire de spin (MAS) ou orbital (MAO), ouvrant la voie à l’étude de dynamiques chirales et magnétiques. En combinant ces avancées, cette thèse vise à synthétiser des champs lumineux dont la chiralité varie dans le temps et l’espace, en exploitant notamment la composante longitudinale du champ électrique. Trois régimes seront étudiés : linéaire (pompe-sonde XUV/IR), fortement non linéaire (champs structurés visibles-IR dans des milieux chiraux) et faiblement non linéaire (pompe IR/sonde XUV). Ces travaux ouvriront une nouvelle classe d’expériences en physique attoseconde, combinant exploration fondamentale et applications émergentes.
L’étudiant(e) acquerra une pratique de l’optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L’acquisition de techniques d’analyse approfondie, d’interfaçage d’expérience seront encouragées même si non indispensables.
Pour plus de détails: https://iramis.cea.fr/lidyl/pisp/150720-2/
Couplages photo et thermocatalytiques d’esters pour la synthèse d’alcènes biosourcés
L'accès facilité à l'énergie et aux matières premières carbonées offert par les ressources fossiles a permis une croissance rapide de la société. Néanmoins, l'épuisement attendu des ressources fossiles et le changement climatique exigent de se tourner vers un modèle plus durable. Les matières premières biosourcées sont une source prometteuse de carbone pour remplacer les produits pétrochimiques, mais elles nécessitent un changement radical du modèle actuel. Alors que le paradigme actuel repose sur la production d'énergie et de molécules organiques à haute valeur ajoutée par des étapes d'oxydation, un modèle basé sur l'économie circulaire du carbone, c'est-à-dire la transformation du CO2 et de la biomasse qui sont déjà des matériaux fortement oxydés, requiert le développement de nouvelles méthodologies de réduction, de désoxygénation et d'utilisation directe de liaisons oxygénées pour accéder à des molécules organiques fonctionnalisées et utiles.
En chimie organique, les réactions de couplage croisé représentent l'un des principaux outils permettant de créer des liaisons C–C. Cependant, elles reposent encore aujourd’hui principalement sur l'utilisation d'halogénures organiques comme électrophiles. Dans ce projet, le doctorant aura pour objectif de démontrer que les esters d'alkyle, facilement disponibles et abondants, peuvent servir d’électrophiles dans les réactions catalytiques de couplage croisé avec les alcènes. Les esters peuvent en effet être directement biosourcés ou facilement synthétisés à partir d'acides carboxyliques et d'alcools, diminuant ainsi l'impact environnemental de la formation de la liaison carbone-carbone.
MÉCANISMES LIMITANT LA CONDUCTIVITÉ THERMIQUE DANS LES OXYDES DE TERRES RARES
Comprendre les paramètres qui déterminent l'amplitude de la conductivité thermique (k) dans les solides présente un intérêt à la fois fondamental et technologique. k est sensible à toutes les quasi-particules transportant de l'énergie, et en particulier aux phonons,vibrations collectives des atomes dans les cristaux. Cependant, les mesures de k ont également permis d'identifier des porteurs de chaleur plus exotiques, comme les spinons dans la chaîne ntiferromagnétique de Heisenberg. En termes d'applications, les propriétés thermiques des solides sont au coeur d'enjeux sociaux et environnementaux majeurs. La nécessité, par exemple, de disposer de dispositifs thermoélectriques et de barrières thermiques efficaces pour économiser l'énergie a ainsi motivé la recherche de barrières thermiques présentant une k faible. Toute une série de stratégies ont été proposées pour réduire la vitesse des phonons et/ou leur libre parcours
moyen : utilisation de liaisons interatomiques faibles, forte anharmonicité, nanoconception, structures cristallines complexes ou partiellement désordonnées, etc...Cependant, un autre concept prometteur pour réduire davantage le libre
parcours moyen des phonons est basé sur un autre mécanisme, le couplage magnéto-élastique.
Ce concept est né récemment de l'observation d'un couplage spin-phonon dans différents oxydes de terres-rares. Les excitations magnétiques impliquées dans le couplage magnéto-élastique à l'oeuvre dans ces composés ne sont pas des magnons classiques, mais des excitations de champ cristallin (CEF) à faible énergie. Comme ces dernières sont des excitations électroniques locales, elles ne se dispersent pas et ne peuvent donc pas être associées à des quasi-particules se propageant. En d'autres termes, elles ne sont pas des vecteurs de chaleur potentiels et ne contribuent donc pas à k. Cependant, elles peuvent réduire considérablement la durée de vie des phonons par l'intermédiaire d'un nouveau mécanisme de diffusion.
L'objectif de cette thèse de doctorat est donc d'étudier, tant sur le plan expérimental que théorique, le couplage magnéto-élastique et son impact sur la conductivité thermique. Les systèmes étudiés seront (sans s'y limiter) les pérovskites de Tb et comprendront des compositions à haute entropie ou à stabilisées par entropie, présentant une conductivité thermique très faible.