Activation thermique du glissement des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée
L'activation thermique du glissement des dislocations joue un rôle essentiel dans la déformation plastique des métaux de structures et donc dans le vieillissement de ceux-ci. Le cas des dislocations vis dans les métaux de symétrie cubique centrée constitue un archétype pour lequel il existe déjà de nombreuses données expérimentales auxquelles nous pouvons confronter les prédictions théoriques issues de la théorie statistique de Vineyard [1,2]. Cette théorie est essentielle car elle permet d'établir une transition d'échelle depuis les calculs atomistiques les plus fins jusqu'aux échelles macroscopiques des tests de déformation.
Dans le cadre de cette proposition de thèse nous souhaiterions tester à l'échelle atomique la théorie statistique de Vineyard en comparant les prédictions de la théorie avec des simulations de dynamique moléculaire [3]. Nos calculs préliminaires ont montré un désaccord notablement important tandis que la même comparaison pour la migration de défauts ponctuels tels que les lacunes ou les interstitiels montrait un bon accord. Si ces résultats sont confirmés il nous faudra établir une correction et mesurer l'impact de cette correction sur les prédictions théoriques associées aux essais de traction.
[1] Vineyard G.H., J. Phys. Chem. Solids 3, 121 (1957).
[2] Proville L., Rodney D., Marinica M-C., Nature Mater. 11, 845 (2012).
[3] Proville L., Choudhury A., Nature Mater. TO BE PUBLISHED.
Intégration de dispositifs quantiques sur hétérostructures Ge/SiGe
La réalisation de qubits de spin à partir de boites quantiques semiconductrices est activement explorée pour la mise au point de processeurs quantiques. S’appuyant sur les procédés de fabrication éprouvés de l'industrie microélectronique, cette technologie offrirait un passage à l’échelle plus rapide que d’autres technologies concurrentes. Récemment, des qubits directement dérivés de plateformes industrielles ont été démontrés, par exemple en technologie FDSOI au CEA-Leti ou sur technologie FinFET à Intel. Cependant, ces dernières souffrent de la présence d'une interface Si/SiO2 au plus proche des qubits, source d’un important désordre électrostatique.
Une alternative consiste à utiliser des hétérostructures semiconductrices à base d'empilements de Ge/SiGe. Cela permet le confinement des charges entre des interfaces cristallines, réduisant ainsi drastiquement l’impact du désordre électrostatique sur les qubits. De plus, la faible masse effective des porteurs dans le Ge permet de travailler avec des dimensions plus relâchées, et le fort couplage spin-orbite offre un moyen de manipuler les spins sans intégration d'éléments externes de contrôle.
La thèse portera sur le développement d'une filière quantique au CEA-Leti basée sur ces hétérostructures Ge/SiGe. Un premier axe de travail consistera à fabriquer sur coupons des structures de test de type barre de Hall et effectuer des mesures de mobilité à basse température pour optimiser la qualité des substrats et des matériaux utilisés dans les empilements de grilles.
En parallèle, une filière sur substrats 200mm reposant sur de la lithographie eBeam sera progressivement mise en place pour la fabrication de réseaux uni- et bidimensionnels de boîtes quantiques.
Le travail de thèse se fera en collaboration étroite entre les équipes des salles blanches du CEA-Leti et les équipes de physique du CEA-Irig.
Modélisation par champ de phase du transport de la porosité à l’échelle microscopique par évaporation/condensation dans le combustible MOX d’un réacteur nucléaire
La thèse proposée a pour objectif de développer un modèle de champ de phase décrivant la migration de la porosité de fabrication dans les oxydes mixtes d'uranium-plutonium sous irradiation dans les réacteurs rapides au sodium. Le modèle prendra en compte les phénomènes d'évaporation et de condensation en tant que force motrice microscopique déplaçant la porosité là où les conditions nécessaires de température locale et de gradient de température sont atteintes pour établir ce mécanisme de transport. Pour fournir une estimation cohérente des différences de pression de vapeur régissant la vitesse d'évaporation (et de condensation), le modèle de champ de phase sera couplé à une description thermodynamique du système ternaire U-Pu-O. Le candidat travaillera sur le développement de la formulation théorique du modèle de champ de phase, ainsi que sur son inclusion dans le cadre d'un solveur d'éléments finis. L'outil informatique sera appliqué pour étudier les conditions rencontrées dans les réacteurs à neutrons rapides prototypiques afin de dériver de nouvelles lois de vitesse de migration des pores à inclure dans les outils de calcul scientifique (OCS) du comportement du combustible utilisés au niveau industrielle, comme par exemple PLEIADES/GERMINAL V3, l’OCS développé dans le service d’accueil au CEA IRESNE.
Les résultats obtenus dans la thèse seront l’objet de présentations en conférences à l’international (par exemple, NuMat – The Nuclear Materials Conference, MMM – Multiscale Materials Modeling Conference, MiNES – Materials in Nuclear Energy Systems, CALPHAD), ainsi que de publications dans des revues scientifiques internationales (Computational Materials Science, Journal of Nuclear Materials, Journal of Applied Physics, Acta Materialia).
Au sein de l'Institut IRESNE (CEA Cadarache), le candidat rejoindra une communauté scientifique pluridisciplinaire sur les matériaux (physique du solide, thermique, mécanique, mathématiques appliquées, thermochimie, thermodynamique) et ouverte à la fois sur la recherche internationale et le monde industriel. Il/elle aura l'opportunité d'échanger avec des experts impliqués dans les différentes étapes de la conception d'un réacteur nucléaire et utilisera des simulations numériques de pointe à petites et grandes échelles. Pendant une partie de sa thèse, il/elle pourra intégrer le laboratoire universitaire du directeur de thèse à l'École Polytechnique, complétant ainsi son expérience au sein d'un institut de recherche appliqué tel que le CEA avec une approche plus académique offerte par une institution universitaire. Finalement, le candidat aura l'opportunité de se familiariser avec deux des techniques les plus utilisées dans l'analyse de l'évolution des microstructures dans de nombreux champs industriels : le champ de phase et les calculs thermodynamiques par des techniques CALPHAD, tout en développant ses compétences dans ces domaines.
Transport de chaleur dans les états non-abeliens de l'effet Hall quantique dans le graphène
Les états à dénominateur pair de l'effet Hall quantique fractionnaire (par exemple ??=5/2) devraient héberger des excitations qui ont des statistiques anyoniques non abéliennes, ce qui en fait des candidats prometteurs pour la réalisation d'un processeur quantique topologique [1]. Bien que la démonstration de ces statistiques non abéliennes ait longtemps été une entreprise extrêmement difficile, des expériences récentes dans des hétérostructures semi-conductrices GaAs ont montré que la conductance thermique de bord de l'état ??=??/?? est quantifiée dans des valeurs demi-entières du quantum de conductance thermique [2,3]. Cette quantification en demi-entier est connue pour être une signature universelle des statistiques non-abéliennes, y compris des fermions de Majorana [4]. Cependant, de nombreux candidats présumés pour l'état fondamental de ??=5/2 ont des structures de bord complexes présentant des modes neutres contre-propagateurs, qui peuvent modifier la conductance thermique de bord et leur donner des valeurs non entières similaires à celles d'un bord non abélien. Une expérience très récente [3] a contourné le problème en trouvant un moyen de séparer les contributions des différents canaux au bord, confirmant l'existence d'un canal non abélien avec une conductance électrique et thermique quantifiée demi-entière. La prochaine question évidente est de savoir si ce résultat est vraiment universel : est-il valable pour différents matériaux et différents états de dénominateur pair ?
Dans ce projet, nous proposons de répondre à ces questions en effectuant des mesures de transport de chaleur dans des états de Hall quantiques fractionnaires dans le graphène bicouche. Il a récemment été démontré que le graphène bicouche empilé par Bernal hébergeait une grande variété d'états de Hall quantiques fractionnaires robustes à dénominateur pair [5-8], à la fois semblables à des trous et à des électrons. Il s'agit d'un excellent banc d'essai pour l'étude de la conductance thermique, car ces fractions devraient être décrites par différents états fondamentaux (éventuellement non abéliens) ; en outre, la possibilité d'appliquer des champs de déplacement électrique permet un degré de contrôle supplémentaire sur les états à dénominateur pair, qui peuvent être étudiés par transport de chaleur.
Ce projet expérimental est basé sur le transport thermique à très basses températures et à champs magnétiques élevés [9], basé sur des mesures électriques très sensibles. Nous recherchons des candidats très motivés et intéressés par tous les aspects du projet, tant expérimentaux (fabrication d'échantillons, mesures à faible bruit, cryogénie) que théoriques.
[1] Nayak, et al., RMP 80, 1083 (2008) [2] Banerjee, et al., Nature 559, 205 (2018)
[3] Dutta, et al., Science 377, 1198 (2022) [4] Kasahara, et al., Nature 559, 227 (2018)
[5] Ki, et al., Nano Letters 14, 2135 (2014) [6] Li, et al., Science 358, 648 (2017)
[7] Zibrov, et al., Nature 549, 360 (2017) [8] Huang, et al., PRX 12, 031019 (2022)
[9] Le Breton, …, & Parmentier, PRL 129, 116803 (2022)