PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DANS LES RÉSEAUX OCTOCHLORES
Ces dernières années, les progrès réalisés dans le domaine des aimants frustrés ont conduit à l'émergence de concepts innovants,notamment de nouvelles phases de la matière. Ces dernières ne présentent aucun ordre à longue portée (aucune rupture de symétrie, mais, dans les systèmes classiques, elles correspondent à un état fondamental hautement dégénéré. Un exemple emblématique est celui de la glace de spin dans les pyrochlores : dans ce cas, la construction des configurations dégénérées repose sur une règle simple,qui stipule que la somme des quatre spins dans tout tétraèdre du réseau magnétique doit être nulle. Cette règle dite « règle de la glace » peut être comprise comme la règle de conservation d'un champ de jauge émergent. La preuve expérimentale de cette physique a été fournie par l'observation de points singuliers dans la fonction de corrélation spin-spin lors d'expériences de diffusion élastique des neutrons. Ces points singuliers, appelés points de pincement (pinch-points), apparaissent parce que les corrélations du champ émergent sont de nature dipolaire, avec des corrélations spin-spin algébriques.
L'origine de cette physique réside dans la conjonction entre la connectivité du réseau, l'anisotropie et les interactions magnétiques, qui concourent à sélectionner des configurations où une contrainte locale entre les spins est préservée. Récemment, plusieurs auteurs ont proposé une généralisation de ce concept à d'autres géométries et d'autres contraintes, comme par exemple le réseau « octochlore », formé d'octaèdres partageant leurs sommets. En fonction de la contrainte choisie, différents liquides de spin ont été prédits théoriquement.
Une réalisation expérimentale du réseau octochlore peut être trouvée dans les fluorures de terres rares KRE3F10, dont la structure cristalline forme un réseau de petits et grands octaèdres RE joints par les sommets. La physique des composés KRE3F10 est encore très mal connue, avec seulement quelques articles sur des mesures de magnétisation effectuées il y a deux décennies. L'objectif de ce travail de doctorat sera donc de caractériser l'état fondamental de deux membres 'Kramers' du système KRE3F10 (RE = Dy3+, Er3+), afin d'identifier en particulier toute signature de la physique des liquides de spin suggérée par les travaux théoriques récents, et de mieux comprendre les contraintes qui y conduisent.
Supraconducteurs triplets : du couplage spin-orbite faible au couplage spin-orbite fort
Depuis les années 1980, plusieurs supraconducteurs non conventionnels ont été découverts, certains présentant un appariement triplet (spin total S=1) pouvant donner lieu à des propriétés topologiques intéressantes. Contrairement aux supraconducteurs singulets, leur paramètre d’ordre est un vecteur dépendant des composantes du spin (S_z=-1,0,1) et est fortement influencé par la symétrie cristalline et le couplage spin-orbite (SO).
La thèse vise à étudier la transition entre faible et fort couplage spin-orbite dans un supraconducteur triplet, en s’appuyant sur un modèle multibande minimal inspiré du matériau CdRh2As3, où une phase triplet induite par champ a été récemment observée. Cette recherche permettra de calculer la susceptibilité dynamique de spin et d’identifier d’éventuelles résonances de spin collectives, analogues à celles du superfluide He3.
Le travail reposera principalement sur des outils analytiques de théorie des champs appliqués à la matière condensée. Le projet s’adresse à des candidats ayant une solide formation en mécanique quantique, physique statistique et physique du solide.
Stimulation magnéto-mécanique pour la destruction sélective de cellules cancéreuses de pancréas tout en épargnant les cellules saines.
Une nouvelle approche pour détruire les cellules cancéreuses est développée en collaboration entre le laboratoire de biologie BIOMICS et le laboratoire de magnétisme SPINTEC, tous deux au sein de l’IRIG. Cette méthode utilise des particules magnétiques dispersées parmi les cellules cancéreuses, mises en vibration à basse fréquence (1-20 Hz) par un champ magnétique rotatif. Ces vibrations induisent un stress mécanique sur les cellules, déclenchant leur mort (apoptose) de manière contrôlée.
L’effet a été démontré in vitro sur divers types de cellules cancéreuses (gliome, pancréas, rein) en culture 2D, ainsi que sur des sphéroïdes 3D (tumoroïdes) de cellules cancéreuses pancréatiques et des organoïdes de cellules saines. Les modèles 3D, plus proches des tissus biologiques réels, facilitent la transition vers des études in vivo et réduisent le recours aux modèles animaux. Les premiers résultats montrent que les cellules cancéreuses pancréatiques ont une plus grande affinité pour les particules magnétiques et sont plus sensibles au stress mécanique que les cellules saines, permettant une destruction sélective.
La prochaine étape consistera à confirmer cette spécificité dans des sphéroïdes mixtes (cellules cancéreuses et saines), à quantifier statistiquement ces résultats, et à élucider les mécanismes mécanobiologiques responsables de la mort cellulaire. Ces résultats prometteurs ouvrent la voie à une approche biomédicale innovante contre les cancers.
Études théoriques des courants orbitaux et des méchanismes de conversion afin d’optimiser les performances des dispositifs à couple spin-orbite
La thèse de doctorat proposée vise à comprendre et à identifier les paramètres clés qui régissent la conversion des moments orbitaux en courants de spin, dans le but d'améliorer l'efficacité d'écriture des dispositifs de mémoire magnétique à l’accès aléatoire à base de couple spin-orbite (SOT-MRAM). Les travaux utiliseront une approche de modélisation multi-échelle comprenant des calculs ab initio, liaisons fortes et atomistiques de l'effet Hall orbital (OHE) et de l'effet Rashba-Edelstein orbital (OREE). Ces phénomènes présentent des amplitudes et des longueurs de diffusion orbital qui peuvent être plus importantes que leurs équivalents de spin, l'effet Hall de spin (SHE) et l'effet Rashba-Edelstein (REE). De plus, ils sont présents dans une gamme plus large de matériaux, y compris les métaux légers à faible résistivité. Cela ouvre des perspectives très intéressantes pour des matériaux plus efficaces et plus conducteurs, susceptibles de lever les verrous limitant le déploiement technologique de la SOT-MRAM.
Cette thèse jouera un rôle essentiel dans une collaboration étroite entre laboratoires SPINTEC (Spintronique et Technologies de Composants) et LETI (Laboratoire d'électronique des technologies de l'information)au CEA. Le doctorant conduira les calculs ab initio à SPINTEC afin de dévoiler les caractéristiques des matériaux fondamentales pour exploiter les phénomènes orbitroniques décrits, et il construira des hamiltoniens multi-orbitaux au LETI pour calculer le transport orbital et de spin, en forte interaction/synergie avec expérimentateurs travaillant sur développement de SOT-MRAM. Le doctorat sera co-supervisé par M. Chshiev, K. Garello à Spintec et J. Li au LETI. Ce projet de doctorat sera au cœurs de collaborations avec des groupes théoriques et expérimentaux de premier au niveau national et international.
Les candidats hautement motivés ayant une solide formation en physique des solides, en théorie de la matière condensée et en simulations numériques sont encouragés à postuler. Le candidat sélectionné effectuera des calculs à l'aide du cluster de calcul de Spintec, en s'appuyant sur des progiciels basés sur les principes fondamentaux de la DFT et d'autres outils de simulation. Les résultats seront analysés de manière rigoureuse et pourront être publiés dans des revues internationales à comité de lecture.
Alliage digital (GaN)n/(AlN)m pour la réalisation de LED capable d'émettre dans l'UV profond
Contexte :
Les semiconducteurs nitrures du groupe III (GaN, AlN, InN) sont réputés pour leurs excellentes propriétés d’émission lumineuse. Depuis plus de deux décennies, ils sont à la base des LED bleues et blanches utilisées dans le monde entier, grâce à des puits quantiques InGaN très efficaces (rendement quantique externe > 80 %). En revanche, les LED UV basées sur des puits quantiques AlGaN restent très peu efficaces (< 10 %) et ne sont devenues commercialement disponibles que récemment. Surmonter cette limitation constitue un défi majeur en optoélectronique : obtenir une émission UV profonde efficace (220–280 nm) permettrait de développer des applications bactéricides performantes, telles que la purification de l’eau, la stérilisation de surfaces ou l'élimination de virus.
Récemment, deux concepts innovants se sont révélés particulièrement prometteurs pour les LED UV :
1. Émission UV profonde à partir de monocouches de GaN dans l’AlN : il s’agit de faire croître quelques monocouches atomiques (ML) de GaN insérées dans une matrice d’AlN. Ce confinement quantique extrême conduit à une émission dans l’UV profond, jusqu’à 220 nm. Une forte efficacité d’émission est attendue grâce à une liaison excitonique intense, stable même à température ambiante.
2. Amélioration du dopage à l’aide d’alliages numériques gradués GaN/AlN : cette approche consiste à utiliser un alliage digital (GaN)?/(AlN)?, où n et m représentent le nombre de couches atomiques. Cette architecture permet un dopage efficace de type n et surtout p, ce qui constitue un verrou technologique majeur dans les matériaux AlGaN. Le GaN étant beaucoup plus facile à doper que l’AlN, cette méthode s’avère très prometteuse pour la fabrication de dispositifs.
Objectifs scientifiques :
L’objectif est de maîtriser la croissance de monocouches par MOVPE (épitaxie en phase vapeur métal-organique), la technique la plus pertinente sur le plan industriel :
- Projet de M2 : développer la croissance de monocouches de GaN sur substrats d’AlN, étudier leurs propriétés d’émission dans l’UV profond et optimiser les conditions de croissance pour obtenir un dépôt auto-limitant d’une seule couche.
- Poursuite en thèse : concevoir et fabriquer des alliages digitaux dopés GaN/AlN afin de réaliser les premières LED UV profondes efficaces basées sur cette architecture.
Contexte du laboratoire et collaborations :
Le groupe dispose d’une longue expérience dans l’étude de l’émission lumineuse visible et UV à partir de nanofils de nitrures. Nous avons déjà démontré une émission à 280 nm à partir un alliage digital (GaN)?/(AlGaN)?, confirmant la faisabilité de cette approche. Le projet sera fortement expérimental (croissance épitaxiale, caractérisations structurales et optiques avancées) et mené en étroite collaboration avec l’Institut Néel pour l’analyse en cathodoluminescence et la fabrication de dispositifs.
Pourquoi rejoindre ce projet ?
Acquérez une expertise en épitaxie, en physique des semiconducteurs et en optoélectronique. Travaillez dans un environnement dynamique et collaboratif, en lien étroit avec le monde industriel. Contribuez au développement de la prochaine génération de LED émettant dans l’UV profond.
METHODES DE SYNTHESE D’HETEROCYCLES AZOTES FONCTIONNALISES ET APPLICATION AUX MOLECULES ENERGETIQUES
L’objectif de la thèse est de mettre au point de nouvelles méthodes de synthèse et/ou de fonctionnalisation permettant d’obtenir des molécules hétérocycliques fonctionnalisées. Ces molécules sont basées sur des cycles aromatiques azotés à 5 ou 6 atomes (diazines, triazines, triazoles, tétrazoles…). Les structures visées permettent d’envisager de fortes densités et enthalpie de formation, tout en conservant une faible sensibilité aux agressions (thermiques, mécaniques…). Elles trouvent des applications dans le domaine énergétique, notamment la propulsion, les explosifs et les générateurs de gaz (airbags). De plus, ces composés hétérocycliques ainsi que les intermédiaires sont également structuralement proches de familles de produits biologiquement actifs et/ou susceptible de présenter des propriétés de fluorescence, comme l’a déjà montré une thèse précédente au laboratoire.
Recyclage chimique de déchets plastiques oxygénés et azotés par des voies de réduction catalytique
Depuis la fin de la seconde guerre mondiale, le recours aux plastiques pétrosourcés a favorisé l’émergence d’un modèle de consommations axé sur l’utilisation de produits jetables et la production mondiale de plastiques atteint désormais468 millions de tonnes par an. Ces plastiques, non biodégradables, sont à l’origine de nombreuses pollutions environnementales. Depuis les années 50, seulement 9 % de ces déchets ont fait l'objet d'un processus de recyclage. La majorité a été incinérée ou stockée en décharge. Dans le contexte actuel de cette économie linéaire, les enjeux sanitaires, climatiques et sociétaux rendent indispensable une transition vers une approche circulaire des matières. Cette évolution implique le développement de voies de recyclage à la fois efficaces et robustes. Alors que les voies de recyclage actuelles les plus répandues sont principalement des procédés mécaniques qui s’appliquent à des gisements particuliers de déchets, comme les bouteilles en plastique PET, le développement de méthodes chimiques de recyclage semble prometteur pour traiter des déchets dont les filières de recyclage sont inexistantes. Ces procédés chimiques innovants permettent de récupérer la matière carbonée des plastiques pour en produire de nouveaux.
Le projet doctoral vise à développer de nouvelles voies de recyclage chimique de déchets plastiques mixtes oxygénés/azotés tels que les polyuréthanes (mousses d’isolement, matelas, etc.) et les polyamides (fibres textiles, etc.), dont les filières de recyclage sont quasi inexistantes. Ce projet repose sur une stratégie de dépolymérisation catalytique de ces plastiques, par coupures sélectives des liaisons carbone-oxygène et/ou carbone-azote, pour former les monomères ou leurs dérivés correspondants. Pour ce faire, des systèmes catalytiques mettant en jeu des catalyseurs métalliques couplés à des réducteurs abondants et peu coûteux seront développés, et nous chercherons à comprendre leur mode de fonctionnement.
Croissance et caractérisation de l’AlScN : un nouveau matériau prometteur pour les dispositifs piézoélectriques et ferroélectriques
Les semi-conducteurs III-nitrures — GaN, AlN et InN — ont révolutionné le marché de l’éclairage et pénètrent rapidement le secteur de l’électronique de puissance. Actuellement, de nouveaux composés nitrures sont explorés dans la recherche de nouvelles fonctionnalités. Dans ce contexte, le nitrure d’aluminium et de scandium (AlScN) s’est imposé comme un nouveau membre particulièrement prometteur de la famille des nitrures. L’incorporation de scandium dans l’AlN conduit à :
* Des constantes piézoélectriques accrues : ce qui rend l’AlScN très attractif pour la fabrication de générateurs piézoélectriques et de filtres SAW/BAW à haute fréquence.
* Une polarisation spontanée augmentée : cette polarisation renforcée peut être exploitée dans la conception de transistors à haute mobilité électronique (HEMTs) présentant une densité de charge très élevée dans le canal.
* La ferroélectricité : la découverte récente (2019) de propriétés ferroélectriques ouvre la voie au développement de nouvelles mémoires non volatiles.
Au cours des cinq dernières années, l’AlScN est devenu un sujet majeur de recherche, présentant de nombreuses questions ouvertes et de passionnantes perspectives à explorer.
Cette thèse de doctorat portera sur l’étude de la croissance et des propriétés de l’AlScN et du GaScN synthétisés par épitaxie par jets moléculaires (MBE). Le doctorant sera formé à l’utilisation d’un système MBE pour la synthèse des semi-conducteurs III-nitrures ainsi qu’à la caractérisation structurale des matériaux par microscopie à force atomique (AFM) et diffraction des rayons X (XRD). La variation des propriétés de polarisation du matériau sera étudiée par l’analyse de la photoluminescence de structures à puits quantiques. Enfin, le doctorant sera formé à l’utilisation de logiciels de simulation pour modéliser la structure électronique des échantillons, afin de faciliter l’interprétation des résultats optiques.
Électrodes positives composites dans les batteries à l’état solide : influence du procédé de fabrication sur les performances électrochimiques
Le développement de batteries tout solide (SSBs) à haute densité énergétique et à faible coût est essentiel pour l’adoption à grande échelle des technologies de stockage d’énergie de nouvelle génération. Parmi les différents candidats pour la cathode, le LiFePO4 (LFP) et le LiFe1??Mn?PO4 (LFMP) offrent des avantages en termes de sécurité et de coût, mais présentent des tensions de fonctionnement faibles et une cinétique limitée comparées aux oxydes lamellaires riches en nickel tels que le LiNi0.85Mn0.05Co0.1O2 (NMC85). Afin d’équilibrer densité énergétique, puissance et stabilité, ce projet de thèse vise à développer des cathodes composites combinant LFMP et NMC85 dans des proportions optimisées pour des configurations tout solide utilisant des électrolytes à base de soufre (Li6PS5Cl). Nous examinerons l’influence des méthodes de fabrication — notamment la préparation des électrodes faites à partir d’encres et l’optimisation du couple liant–solvant — sur les performances électrochimiques et structurales obtenues. Des caractérisations approfondies operando et in situ (XRD, Raman et RMN) seront menées afin d’élucider la diffusion du lithium, les mécanismes de transition de phase et le comportement rédox au sein des systèmes composites. La spectroscopie d’impédance électrochimique (EIS) et des méthodes de titration permettront de quantifier la cinétique du lithium à différents états de charge. En corrélant les conditions de fabrication, la microstructure et le comportement électrochimique, ce projet vise à identifier les compositions de cathodes et les stratégies de fabrication optimales pour des SSBs performantes et industrialisables. Au global, le projet vise à fournir une compréhension complète des relations structure–propriété dans les cathodes composites, ouvrant la voie à des batteries tout solide pratiques offrant une sécurité, une stabilité et une rentabilité accrues.
Développement de biocapteurs interférométriques photo-imprimés sur fibres optiques multicoeurs pour le diagnostic moléculaire
Les fibres optiques sont des dispositifs peu invasifs couramment utilisés en médecine pour l'imagerie tissulaire in vivo par endoscopie. Cependant, à l'heure actuelle, elles ne fournissent que des images et aucune information moléculaire sur les tissus observés. La thèse proposée s'inscrit dans un projet visant à conférer aux fibres optiques la capacité d'effectuer des reconnaissances moléculaires afin de développer des biocapteurs innovants capables d'effectuer une analyse moléculaire en temps réel, à distance, in situ et multiplexée. Un tel outil pourrait apporter des progrès importants dans le domaine médical, et plus particulièrement dans l'étude des pathologies cérébrales pour lesquelles la connaissance de l'environnement tumoral, difficilement accessible par des biopsies classiques, est primordiale.
L'approche proposée repose sur l'impression par polymérisation à 2-photons de structures interférométriques à l'extrémité de chacun des cœurs d'un assemblage multifibre. Le principe de détection repose sur les interférences se produisant dans ces structures et leur modification par l'adsorption de molécules biologiques. Chacune des fibres de l’assemblage agira comme un capteur individuel et la mesure de l'intensité de la lumière rétro-réfléchie à l'extrémité fonctionnalisée permettra de rendre compte des interactions biologiques se produisant sur cette surface. Grâce à la modélisation du phénomène d’interférence, nous avons déterminé des paramètres pour optimiser la forme et la sensibilité des structures interférométriques (PTC InSiBio 2024-2025). Ces résultats ont permis l'impression et la caractérisation de la sensibilité de structures interférométriques sur mono-fibres. Les objectifs de la thèse sont de poursuivre cette caractérisation optique sur de nouveaux échantillons et de développer des méthodes de fonctionnalisation photo-chimiques originales afin de greffer plusieurs sondes biologiques à la surface des assemblages de fibres. Cette multi-fonctionnalisation permettra de réaliser une détection multiplexée, essentielle pour envisager une application médicale future. Selon l'avancement de la thèse, les biocapteurs seront validés au travers de la détection de cibles biologiques dans des milieux de plus en plus complexes pouvant aller jusqu'à un modèle de tissu cérébral.