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.
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.
Optimisation de la durabilité d’alliages métalliques à haute température : exploration de nouvelles conditions d’oxydation
Le projet exploratoire OPTIMIST a pour objectif d’augmenter la durée de vie des alliages métalliques (alumino- et chromino-formeurs) par formation d’une couche d’oxyde protectrice comme cela est quasiment toujours le cas pour protéger la corrosion des alliages. La grande originalité d’OPTIMIST consistera à former une couche d’oxyde possédant un minimum de défauts structuraux 0D (défauts ponctuels) et 2D (joints de grains). Cet objectif reposera sur deux stratégies distinctes : la première consistera à former une couche d’oxyde dite endogène, c’est-à-dire par pré-oxydation du substrat en choisissant minutieusement les conditions de pré-oxydation (température, milieu oxydant, pression partielle en oxygène) dans deux types de Rhines Pack spécifiquement développés au CEA/DES et à l’IJL, la seconde consistera à former une couche d’oxyde dite exogène, c’est-à-dire créée par une technique de dépôt : le HiPIMS récemment mis en service au CEA/INSTN. Différentes conditions de pré-oxydation (pour la couche endogène) et de procédé (pour la couche exogène) seront investiguées puis leurs défauts 0D et 2D seront caractérisés au SIMaP par un couplage inédit de techniques de pointe tant structurale (TEM-ASTAR) que chimique (sonde atomique, SIMS, nano-SIMS) et électronique (photoélectrochimie PEC). Enfin ces échantillons caractérisés seront corrodés dans deux milieux (sous air et en milieux sels fondus) à hautes températures pour juger de l’efficacité de la protection par rapport à une pré-oxydation usuelle. Les étapes de croissance de l’oxyde, sa stœchiométrie et sa microstructure (taille et forme des grains, nature des joints de grains) seront ainsi identifiées en fonction des conditions de croissances endo et exogènes de sorte à les maîtriser pour parvenir à une couche d’oxyde contenant le moins de défauts possible.
Accélération des calculs de densité électronique par apprentissage automatique
La théorie de la fonctionnelle de la densité dans le formalisme de Kohn-Sham (DFT) est l’une des méthodes les plus répandues pour simuler les propriétés microscopiques en physique et en chimie du solide. Son principal avantage réside dans sa capacité à trouver un équilibre favorable entre précision et coût de calcul. L’évolution continue des techniques numériques, de plus en plus efficaces, a constamment élargi la portée de son applicabilité.
Parmi ces techniques qui peuvent être associées à la DFT, l’apprentissage automatique est de plus en plus utilisé. Aujourd’hui, une application très répandue consiste à produire des potentiels capables de prédire les interactions entre les atomes en utilisant des modèles d’apprentissage supervisés, s’appuyant sur des propriétés produites en DFT.
L’objectif du projet proposé dans le cadre de cette thèse est d’utiliser les techniques d’apprentissage automatique à un niveau approfondi, notamment pour prédire la densité électronique dans les cristaux ou les molécules. Comparativement à la prédiction de propriétés telles que les forces entre atomes, calculer la densité électronique pose des difficultés : la densité électronique est de haute dimension puisqu’elle doit être calculée dans tout l’espace ; ses caractéristiques sont très variables d’un matériau à l’autre (métaux, isolants, transferts de charge…). Au final, cela peut représenter un coût de calcul non négligeable. Il existe plusieurs options pour réduire la dimensionnalité de la densité électronique, comme le calcul de projections ou l’utilisation de fonctions de localisation.
L’enjeu final de ce projet est de pouvoir prédire, avec la meilleure précision possible, la densité électronique, afin de l’utiliser comme base de prédiction ou point de départ pour des calculs de propriétés spécifiques aux électrons (magnétisme, structure de bandes, par exemple).
Dans un premier temps, le/la candidat·e pourra implémenter des méthodes récemment proposées dans la littérature ; dans une seconde partie de la thèse, il faudra proposer des idées nouvelles. Enfin, la méthode implémentée sera utilisée pour accélérer la prédiction de propriétés de systèmes de grande taille et impliquant des transferts de charge, comme la migration de défauts dans les cristaux.
Physique des interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN pour l'électronique de puissance
L’aviation commerciale est responsable pour 2,5% des émissions mondiales de CO2 (1bT). Une vraie perspective propre à long-terme pour éliminer une partie significative des émissions de CO2 devra être électrique. Une solution viable pourrait être l’avion hybride dans lequel les turbines à gaz seraient utilisés pour le décollage et l’atterrissage tandis que la croisière en vol serait alimentée électriquement. Une telle solution requiert des composants à haute tension. La recherche fondamentale est nécessaire pour optimiser des matériaux à intégrer dans les composants électroniques capables à supporter de telles puissances.
L’idée originale du projet Ferro4Power est d’étendre la gamme d’applications de dispositifs à base de Ga2O3 et GaN en introduisant une couche ferroélectrique d’AlBN à haute tension de claquage, compatible avec une électronique de puissance, dans l’empilement des dispositifs. La polarisation du ferroélectrique crée un champ électrique qui va moduler les bandes de conduction et de valence du Ga2O3 et GaN et ainsi les caractéristiques des dispositifs tels que les diodes de Schottky, des transistors en déplétion et des HEMTs à haute fréquence. Notre hypothèse est de contrôler les bandes électroniques de Ga2O3 et de GaN par la couche adjacente de AlBN.
Nous explorerons la chimie et la structure électronique de interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN, ciblant les phénomènes clés d’écrantage de la polarisation, piégeage/dépiégeage de charge et les champs internes. Le projet emploiera des techniques avancées de la spectroscopie de photoélectrons telles que la photoémission à rayons X durs stimulée par le rayonnement synchrotron, la microscopie d’électrons en photoémission et de l’analyse structurelle complémentaire comme la microscopie électronique à haute résolution, la diffraction des rayons X et la microscopie en champ proche.
Les résultats devraient intéresser aussi bien des physiciens étudiant des aspects fondamentaux de la fonctionnalité des hétérostructures artificielles que des ingénieurs travaillant dans les applications R et D de l’électronique de puissance.
Capteur multi-physique à la convergergence entre l’optomécanique et la photonique
Les capteurs optomécaniques représentent une classe de dispositifs MEMS de pointe, offrant une sensibilité exceptionnelle, une large bande passante, et permettant une co-intégration avec les dispositif usuels réalisés sur les plateformes de photonique sur silicium. Ces capteurs ouvrent la voie à de nombreuses applications, notamment pour des accélérometres, comme spectrométres de masse ou encore pour la détection de gaz. Par ailleurs, les capteurs optiques basés sur des circuits photoniques intégrés (désignés sous l'acronyme PIC pour "Photonic Integrated Circuits") ont également démontré un fort potentiel pour la détection de gaz.
Ce doctorat a pour objectif le développement d’un capteur multi-physique hybride, intégrant à la fois des composants optomécaniques et photoniques, afin d’améliorer significativement les performances de détection. En combinant ces deux technologies, le capteur offrira une capacité de détection multi-dimensionnelle inédite.
Le doctorant travaillera au CEA-Leti, un institut de recherche de renommée internationale, et bénéficiera d’un accès à des équipements de pointe ainsi qu’à une expertise reconnue en fabrication MEMS, photonique intégrée et intégration de capteurs.
Les travaux porteront sur :
-Conception du capteur : approche analytique et simulation numérique par éléments finis pour optimiser l’architecture du dispositif
-Fabrication en salle blanche : collaboration avec les équipes spécialisées du CEA pour réaliser le capteur en silicium
-Caractérisation expérimentale : réalisation de mesures optomécaniques et photoniques
-Intégration et évaluation du système : validation des performances et intégration avec les interfaces optiques, électroniques et fluidiques.
Cette thèse offre une opportunité unique d’explorer la convergence entre MEMS et photonique sur silicium dans un environnement de recherche de très haut niveau. Les applications visées incluent la santé, la surveillance de l’environnement et l’industrie.
Le CEA-Leti recherche un(e) candidat(e) motivé(e), passionné(e) par les MEMS, la photonique et les capteurs, prêt(e) à s'investir dans ce sujet passionnant!
Effets électroniques dans les cascades de collisions dans le GaN
Dans les environnements radiatifs tels que l'espace et les installations nucléaires, les composants microélectroniques sont soumis à des
flux intenses de particules qui détériorent leur fonctionnement en dégradant les matériaux les constituant. Les particules entrent en
collision avec des atomes dans les matériaux semi-conducteurs, leur cèdent une partie de leur énergie cinétique et les éjectent de
leur site cristallin. Les atomes éjectés vont à leur tour générer des collisions, formant une cascade de collisions qui conduira à la
création de défauts de déplacements. De plus, les particules chargées primaires ou secondaires (issues de l’interaction avec un
neutron par exemple) vont aussi interagir spécifiquement avec les électrons du réseau et leur céder une partie de leur énergie en générant des paires électron-trou. On parle de freinage électronique. Une simulation complète de cascade de collisions se doit donc d’intégrer
ces deux éléments : collisions avec les noyaux des atomes et effets électroniques.
La méthode de prédilection pour la simulation de cascades de collisions à l’échelle atomique est la dynamique moléculaire (DM).
Cependant, les effets électroniques ne sont pas inclus car la méthode ne traite pas explicitement les électrons. Pour pallier à ce
problème, des modules additionnels à la DM imitant le plus fidèlement possible les effets des électrons doivent être utilisés. L’état de
l’art en ce qui concerne la simulation du freinage électronique d’un projectile dans un solide est la méthode de la théorie de la
fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT). L’objectif de cette thèse est de combiner DM et TDDFT pour réaliser des
simulations de cascades de collisions dans le GaN et étudier l’influence des effets électroniques. En plus de compétences transverses
communes à toute thèse, le/la candidat.e sera amené.e à développer des compétences dans plusieurs méthodes de modélisation
à l’échelle atomique, en physique du solide, en interactions particules-matière, en environnement linux ainsi qu’en programmation.
Mesure de la vitesse du son dans H2, He constitutifs des intérieurs des géantes gazeuses
L'objectif de la thèse est d'étudier les mélanges hydrogène-hélium en phase fluide à haute pression et haute température par spectroscopie Raman et Brillouin. Les expériences seront effectuées en cellule a enclumes diamant sous chauffage laser permettant d’explorer un vaste domaine de pression et de température représentatif des intérieurs planétaires des géantes de gaz (1-300 GPa, 300-4000 K). La spectroscopie Raman sera utiliser pour sonder les changements chimiques susceptibles d’apparaître en conditions extrêmes. La spectroscopie Brillouin donnera accès à la vitesse du son adiabatique et aux équations d’état de ces systèmes en phase fluide. Ces données seront particulièrement utiles pour améliorer la modélisation des intérieurs de Jupiter et Saturne.
Etude des propriétés thermomécaniques des écoulements d'hydrogène solide
Le Département des Systèmes Basses Températures (DSBT) de l’IRIG développe plusieurs thématiques de recherche autour de l’hydrogène solide cryogéniques et ses isotopes. Les applications de cette recherche vont de la production de cibles d’hydrogène solide micrométriques renouvelables pour la génération de protons de forte énergie pour l'accélération laser-plasma, à la formation et l’injection de glaçons d’hydrogène de taille millimétrique ou centimétrique pour l’alimentation et le contrôle du plasma dans les réacteurs de fusion par confinement magnétique ou inertiel. Une problématique transverse à ces applications réside dans la connaissance fine des propriétés mécaniques de l'hydrogène solide, que cela soit pour mieux comprendre la physique d’extrusion et de production des cibles ou celle de la formation et de l’accélération des glaçons pour leur injection dans les plasmas de fusion.
Le sujet de cette thèse se focalise sur l’étude de l’extrusion de l’hydrogène solide sous pression. Sur cette technologie, le DSBT développe depuis plus de 10 ans plusieurs cryostats permettant la production de ruban d’hydrogène solide, dont la taille varie de quelques millimètres à quelques dizaines de micromètres, extrudés à des vitesses de quelques millimètres par seconde.
L’axe principal de recherche est une meilleure compréhension des mécanismes d’extrusion pour permettre le développement d’outils prédictifs numériques de conception de système d’extrusion. Cette thèse expérimentale reposera sur de la rhéométrie cryogénique basée sur un rhéomètre capillaire et/ou une expérience de couette développée au cours d’une précédente thèse. Cette étude se fera en collaboration avec le Laboratoire de Rhéologie et Procédés du l’Université Grenoble Alpes.
Supraconductivité chirale et transport thermique
Dans ce projet de doctorat, nous voulons explorer deux supraconducteurs non conventionnels bien connus par transport thermique, à travers une approche originale combinant des sondes macroscopiques et microscopiques. Ces supraconducteurs sont UPt3 et UTe2, choisis car ils permettent d'aborder directement deux questions, au cœur des débats actuels dans la communauté internationale. UPt3 traite de la question de la supraconductivité topologique, tandis qu'UTe2 nécessite une identification claire de son paramètre d'ordre supraconducteur "triplet de spin". La supraconductivité topologique est un sujet très actif sur le plan théoriquen et en raison de son intérêt potentiel dans le domaine de l'ingénierie quantique. Cependant, les résultats expérimentaux dans ce domaine sont rares, et souvent controversés. UPt3, qui a été le premier supraconducteur présentant des transitions entre phases supraconductrices, est aussi le système qui a les preuves les plus convaincantes de supraconductivité chirale.
L'objectif est d'explorer les prédictions sur l'existence d'un effet Hall thermique anormal (à champ nul), qui découlerait des courants de bord chiraux. Une nouvelle approche est proposée, combinant un dispositif conçu pour la mesure macroscopique de la conductivité thermique et de l'effet Hall thermique, avec une sonde microscopique réalisant une Spectroscopie Thermique par Balayage. Cela sera réalisé grâce à une collaboration entre deux laboratoires à Grenoble : une équipe de Pheliqs, maîtrisant la croissance de cristaux de haute qualité de ces systèmes ainsi que les mesures de transport thermique à basse température, et deux équipes de l'Institut Néel, expertes en microscopie SQUID par balayage et en mesures thermiques microscopiques jusqu'à des températures sub-Kelvin. Avec ce projet, l'étudiant en doctorat acquerra des compétences très variées, allant de la préparation d'échantillons, à l'instrumentation à basse température, et aux enjeux majeurs actuels dans le domaine des matériaux quantiques.