Complexes de métaux de transition adressables comme modèles de bits et de portes logiques quantiques
Le projet concerne la conception, l’élaboration et l’étude de la dynamique de spin au sein de complexes
binucléaires à base de métaux de transition comme modèles de portes logiques quantiques. Une première partie
focalise sur des complexes de Cu(II). La deuxième partie concerne l’exploration de complexes à base de Fe(II)
adressables optiquement dans le domaine visible. Les complexes seront d’abord caractérisés par spectroscopie
de résonance paramagnétique électronique (RPE) en mode continu pour mettre évidence le comportement de bit
quantique des complexes mononucléaires utilisés pour former les espèces binucléaires. Puis des études
détaillées des temps de relaxation spin-réseau (T1) et spin-spin (temps de cohérence, T2) seront réalisées par
RPE impulsionnelle. Les études sur les complexes (mononucléaires et éventuellement binucléaires) adressables
permettront de déterminer l’impact de la présence d’un centre paramagnétique sur le temps de cohérence d’un
autre au sein de l’entité binucléaire, permettant ainsi d’évaluer la robustesse de portes logiques quantiques
manipulables par la lumière visible.
Etude du comportement en corrosion des matériaux matériaux/revêtements multiéléments complexes en milieux H2SO4 et HNO3
Cette thèse s’inscrit dans le projet CROCUS (miCro laboRatory fOr antiCorrosion solUtion design). Ce projet consiste à développer un micro-laboratoire d’analyse in situ de la corrosion pouvant être mis en ligne avec des procédés de synthèse de matériaux ou revêtements anticorrosion
En testant un large domaine de composition d’alliages par AESEC (technique permet d’accéder à l’électrochimie résolue par éléments), le projet ouvrira ainsi une réelle opportunité de constituer une base de données corrosion dans différents milieux corrosifs, qu’ils soient naturels ou industriels, avec des variabilités de compositions, concentrations, pH et températures.
L’objectif de la thèse proposée, sera d’étudier le comportement en corrosion des de matériaux/revêtements multiéléments complexes, prometteurs en utilisant des techniques électrochimiques de la thèse couplée à l’AESEC.
La première partie de ce travail concerne la détermination des limites d’utilisation de ces alliages prometteurs en fonction de concentration en protons en milieu H2SO4 et HNO3 pour des températures allant de l’ambiante à 80 °C. La passivité de ces alliages en fonction de la concentration en acide sera étudiée à l’aide de techniques électrochimiques (voltampérométrie, impédance, AESEC).
La présence de certains éléments mineurs dans la composition de ces alliages, comme par exemple le molybdène, peut avoir un rôle bénéfique sur le comportement de la corrosion. Pour cela, l’étude des mécanismes de passivation en jeu se fera via, entre autre, l’utilisation de matériaux modèles (Ni-Cr-Mo) et par des techniques électrochimiques (voltamétries cyclique et/ou linéaires, spectroscopie d’impédance, et AESEC) ou d’analyses de surface.
La seconde partie traite la transition entre la passivité et la transpassivité, et en particulier l’apparition ou non de la corrosion intergranulaire (CIG) en fonction des conditions oxydantes (présence d’ions oxydants). L’objectif sera de déterminer les différentes cinétiques (comparaison entre les vitesses de corrosion des grains et des joints de grain), ainsi que valider les modèles mis en place pour l’étude de la CIG des aciers.
Enfin, l’étudiant participera à l’élaboration d’une base de données matériaux pour la corrosion dans des milieux agressifs qu’ils soient naturels ou industriels, de compositions, concentrations, pH, températures, différents permettant alors le développement de nouvelles générations de matériaux ou revêtements résistants à la corrosion par l’utilisation d’outils de conception numérique et d’optimisation par intelligence artificielle.
étude de l'accélération d'ions par laser dans le régime de transparence induite relativiste avec des feuilles minces et des cibles cryogéniques
L’accélération d’ions par laser (LDIA) constitue une alternative compacte et économique aux accélérateurs conventionnels. Des progrès récents ont permis d’atteindre des énergies de protons allant jusqu’à 160 MeV grâce à l’utilisation de cibles ultra-minces irradiées par des impulsions laser ultra-intenses, exploitant le régime de transparence relativiste. Ce régime se manifeste lorsque l’impulsion laser pénètre un plasma quasi-critique, obtenu en adaptant l’épaisseur de la cible aux paramètres laser, permettant ainsi une accélération multi-process qui augmente l’énergie des protons, sans recourir à des techniques limitant la cadence de tir. Ce projet de thèse vise à optimiser ce schéma d’accélération pour atteindre des énergies de l’ordre de 200 MeV, en s’appuyant sur des installations laser à haute cadence de répétition.
La première phase consiste en des simulations 3D de type Particle-In-Cell (PIC), réalisées avec le code Smilei, afin d’étudier la sensibilité de l’interaction laser-cible au profil temporel du laser, et ainsi renforcer la robustesse du processus. La seconde phase explore l’utilisation de rubans d'hydrogène cryogénique, développés par le CEA, comme alternative aux feuilles solides. Ces cibles présentent une densité électronique quasi-critique, une épaisseur modulable, une compatibilité avec les cadences élevées, et génèrent un faisceau d’ions mono-espèce. Ce travail sera mené en collaboration avec le LULI et le CEA, avec des expérimentations prévues sur l’installation Apollon.
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.
Etude in situ de l’impact du champ électrique sur les propriétés des matériaux chalcogénures
Les matériaux chalcogénures (PCM, OTS, NL, TE, FESO …) sont à la base des concepts les plus innovants en micro—électronique allant des mémoires PCM aux nouveaux dispositifs neuromorphiques et spinorbitroniques (FESO, SOT-RAM, etc …). Une partie de leur fonctionnement repose sur une physique hors-équilibre induite par l’excitation électronique résultant de l’application d’un champ électrique intense. La thèse vise à mesurer expérimentalement sur des couches minces de chalcogénures les effets induits par le champ électrique intense sur la structure atomique et les propriétés électroniques du matériau avec une résolution temporelle femtoseconde (fs). Les conditions « in-operando » des dispositifs seront reproduites en utilisant une impulsion THz fs permettant de générer des champs électriques de l'ordre de quelques MV/cm. Les modifications induites seront alors sondées via différents méthodes de diagnostique in situ (spectroscopie optique ou diffraction x et/ou ARPES). Les résultats seront comparés à des simulations ab initio suivant une méthode à l’état de l’art développée avec l’Université de Liège. Au final la possibilité de prévoir la réponse des différents alliages chalcogénures aux échelles de temps fs sous champ extrême permettra d’optimiser la composition et les performances des matériaux (effet de switch e-, électromigration des espèces sous champ, etc …) tout en apportant une compréhension des mécanismes fondamentaux sous-jacents liant excitation électronique, évolution des propriétés sous champ et structure atomique de ces alliages.