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.
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 et caractérisation de matrices de sources TeraHertz cointégrées en technologie photonique Silicium et III-V
La gamme TéraHertz (0.1–10 THz) suscite un fort intérêt pour l’imagerie et la spectroscopie (sécurité, santé, environnement, contrôle industriel) du fait de la transparence de nombreux matériaux en THz et des signatures spectrales caractéristiques. Cependant, les sources actuelles peinent à concilier puissance et accordabilité : les diodes et lasers à cascade quantique (QCL) délivrent plusieurs mW mais sur une bande étroite, tandis que les photodiodes III–V (photomixeurs) sont accordables sur de larges bandes mais limitées à quelques µW. Ce sujet de thèse vise à surmonter ces verrous en développant une matrice intégrée de sources THz. Le principe retenu est le photomélange de deux lasers à 1.55 µm dans des photodiodes InGaAs III–V, générant un courant THz modulé en phase et injecté dans des antennes adaptées.
La thèse débutera par l’étude expérimentale d’un réseau discret de 16 antennes THz (projet STYX) CEA-CTReg/DNAQ : installation du banc d’essai, mesures de cohérence de phase, de couplage optique, de lobes de rayonnement et d’interférences constructives. Ces expérimentations fourniront un socle scientifique pour la suite, à savoir la conception d’un réseau photonique intégré sur silicium. L’étudiant simulera l’architecture photonique (coupleurs, guides, modulateurs de phase, transitions Si/III–V) synchronisant plusieurs photodiodes InGaAs. Le prototypage comprendra la fabrication des circuits photoniques silicium (CEA-LETI) et des photodiodes/antennes THz en InP (III-V Lab ou, à confirmer, Heinrich-Hertz-Institut du Fraunhofer—HHI), suivie de leur intégration hybride (collage, alignement).
Cette thèse s’appuiera également sur une collaboration étroite avec le laboratoire IMS (Talence), reconnu au niveau national et international pour son expertise en photonique intégrée et en systèmes THz, apportant ainsi une complémentarité essentielle en modélisation optique, simulation électromagnétique et caractérisation expérimentale.
L’objectif final de cette thèse consistera à réaliser un prototype à quelques émetteurs (e.g. 4–16) dont la directivité et la puissance rayonnée sont accrues par les interférences constructives. La démonstration expérimentale validera le gain en portée et pénétration du rayonnement THz grâce à la combinaison puissance/accordabilité, ouvrant la voie à des systèmes d’imagerie THz de nouvelle génération.
Détection ultra-précoce de pathogènes bactériens dans le sang de patient
Ce projet vise à développer un instrument d'imagerie par résonance des plasmons de surface (SPRi) polyvalent et facile à utiliser pour la détection rapide et à large spectre de concentrations faibles de bactéries pathogènes dans des échantillons complexes, dont le sang en particulier. La SPRi est une technique, sans marquage, qui permet de sonder un échantillon (quelle que soit sa transparence optique), en temps réel. En raison de la grande sensibilité du phénomène de plasmon, la plage dynamique de variation d'indice mesurable est limitée par détection SPRi lorsque la lecture est réalisée à un angle fixe, comme c'est le cas dans les dispositifs déployés dans le commerce. Cela réduit l'utilisation de tels instruments optiques à l'étude de milieux dont l'indice reste relativement stable pendant l'expérience et dont les sondes moléculaires ont des poids moléculaires comparables aux cibles (suivi d'interactions bi-moléculaires).
Ainsi, cela limite considérablement la détection de bactéries en croissance dans des milieux complexes. Notre laboratoire a développé des solutions originales pour la détection de très faibles taux de contaminations dans des matrices alimentaires (création d'une start-up en 2012), mais la SPRi se révèle inadaptée pour la détection de bactéries dans le sang, en partie en raison de la très forte variabilité intrinsèque de cette matrice.
Ces limites seront supprimées en intégrant cinq briques complémentaires :
1. La conception d'un instrument optimisé pour l'enregistrement en temps réel d'images SPR sur une plage définie d'angles d'éclairage;
2. Le développement d'une analyse et de traitement des données SPR dédiée pour extraire en temps réel l'information la plus pertinente pour chaque sonde à partir des images ;
3. La fonctionnalisation des biopuces par une combinaison de sondes appropriées (séries de peptides tels que les peptides antimicrobiens (AMPs), anticorps et même bactériophages) pour optimiser le nombre d'identifications possibles avec un ensemble réduit de sondes ;
4. L'apprentissage des "signatures SPRi 4D" spécifiques de souches modèles dans des matrices sanguines ;
5. La validation des performances du nouvel instrument « 4D-SPRi » comme outil de détection et de caractérisation des bactéries issues de souches hospitalières par rapport à des techniques de référence.
Gestion de réseau pilotée par l'IA avec de grands modèles LLMs
La complexité croissante des réseaux hétérogènes (satellitaire, 5G, IoT, TSN) nécessite de faire évoluer la gestion de réseau. Le Réseau Basé sur l'Intention (IBN), bien qu'avancé, se heurte encore à la difficulté de traduire des intentions de haut niveau en configurations techniques sans ambiguïté. Ce travail propose de lever ce verrou en exploitant les Grands Modèles de Langage (LLM) comme interface cognitive pour une automatisation complète et fiable.
Cette thèse vise à concevoir et développer un framework IBN-LLM pour créer le cerveau cognitif d'une boucle de contrôle fermée au-dessus du SDN. Le travail se concentrera sur trois défis majeurs : 1) développer un traducteur sémantique fiable du langage naturel vers les configurations réseau ; 2) concevoir un Moteur de Vérification déterministe (via simulations ou jumeaux numériques) pour prévenir les « hallucinations » des LLM ; et 3) intégrer une capacité d'analyse en temps réel (RAG) pour l'Analyse de Cause Racine (RCA) et la génération proactive d'intentions d'optimisation.
Nous attendons la conception d’une architecture IBN-LLM intégrée aux contrôleurs SDN, ainsi que des méthodologies pour la vérification formelle des configurations. La contribution principale sera la création d'un modèle basé sur LLM capable d'effectuer la RCA et de générer des intentions d'optimisation en temps réel. La validation de l'approche sera assurée par un prototype fonctionnel (PoC), dont l'évaluation expérimentale permettra de mesurer précisément les performances en termes de précision, de latence et de résilience.
Analyse multi-modale par résonance magnétique nucléaire in situ des phénomènes électrochimiques dans des prototypes de batteries commerciales
Le développement des technologies de stockage d'énergie électrochimique est impossible sans une compréhension à l'échelle moléculaire des processus tels qu'ils se produisent dans les dispositifs commerciaux pratiques. Certains aspects de la conception des batteries, tels que la composition chimique et l'épaisseur des électrodes, ainsi que la configuration des collecteurs et des languettes de courant, influencent les distributions de densité de courant électronique et ionique et déterminent les limites cinétiques du transport ionique à l'état solide. Ces effets, à leur tour, modulent les performances et la longévité globales des batteries. Pour ces raisons, les résultats des tests de piles boutons conventionnelles ne convergent souvent pas vers des cellules commerciales hautes performances. Les préoccupations de sécurité liées à la forte densité énergétique et aux composants inflammables des batteries constituent un autre sujet crucial pour la conversion des énergies fossiles aux énergies vertes.
La spectroscopie et l'imagerie par résonance magnétique nucléaire (RMN, IRM) sont exceptionnellement sensibles à l'environnement structurel et à la dynamique de la plupart des éléments présents dans les matériaux actifs des batteries.
Récemment, des méthodes de RMN et d'IRM à balayage de surface prêtes à l'emploi ont été introduites. Dans le cadre de la recherche électrochimique fondamentale, la fusion de deux concepts innovants et complémentaires au sein d'un dispositif multimodal (RMN-IRM) permettrait de proposer diverses solutions analytiques et des mesures fiables de la performance des batteries pour le monde universitaire et le secteur de l'énergie.
Ce projet vise à développer un cadre analytique avancé pour l'analyse in situ de phénomènes fondamentaux tels que le transport d'ions à l'état solide, l'intercalation et les transitions de phase associées, la dynamique du placage métallique, la dégradation des électrolytes et les défauts mécaniques dans les batteries Li-ion et Na-ion commerciales, dans diverses conditions de fonctionnement. Une gamme de capteurs multimodaux (RMN-IRM) sera développée et utilisée pour l'analyse approfondie des processus électrochimiques fondamentaux dans les cellules et les petits packs de batteries commerciaux.
Ordonnancement des accès I/O sur bandes magnétiques à l'aide de l'apprentissage automatique
Les simulations numériques sont utilisées pour obtenir des réponses à des
phénomènes physiques qui ne sont pas reproductibles, soit parce qu'ils sont
trop dangereux soit parce qu'ils sont trop coûteux. Les modèles utilisés
pour ces simulations sont de plus en plus complexes, en termes de taille et
de précision, et nécessitent l'accès à des capacités de calcul et de stockage
de données toujours plus importantes. À cet effet, et afin d'optimiser les
coûts, l'utilisation de technologies de stockage de masse telles que les
bandes magnétiques est cruciale. Cependant, pour assurer une bonne performance
du système dans son ensemble, le développement d'algorithmes et de mécanismes
liés au placement des données et à l'ordonnancement des accès sur bandes est
essentiel. L'objectif de la thèse est d'étudier la technologie des bandes
magnétiques, ainsi que les mécanismes existants tels que la RAO (Recommended
Access Order) ou la rétention de requêtes ; et de mettre en
œuvre de nouvelles stratégies pour l'optimisation des performances des
bandes magnétiques.
Etudes du transport d’un faisceau d’électrons dans du gaz
Le Laboratoire Faisceaux et Electronique de Puissance utilise des faisceaux d’électrons relativistes pulsés intenses afin d’étudier la réponse thermo-mécanique des matériaux. Ces expériences sont réalisées sur l’installation CESAR du CEA CESTA, une installation délivrant un faisceau d'électrons très intense (800 keV, 300 kA) en un temps très bref (quelques dizaines de nanosecondes). Le faisceau doit être transporté sur une dizaine de centimètres, avant d’atteindre la cible, dans laquelle il sera soumis à un champ magnétique et interagira avec du gaz. L'ionisation du gaz par le faisceau limite les effets de charge d'espace et permet ainsi de transporter le faisceau jusqu'à la cible étudiée. La physique du transport du faisceau dans la chambre d'expérience est complexe, justifiant des études expérimentales et numériques pour donner une description pertinente du faisceau qui interagit avec les matériaux étudiés.
Commande contrôle de générateurs impulsionnels à état solide
Le CEA et le laboratoire SIAME de l'Université de Pau et Pays de l'Adour mènent des recherches exploratoires dans le domaine de la commutation à l’état solide pour les Hautes Puissances Pulsées (HPP).
Cette technologie offre des perspectives prometteuses pour le développement de nouvelles machines allégées en servitudes et systèmes ancillaires, dans des architectures électrotechniques plus compactes et plus intégrées. Cette technologie est un atout au profit des programmes de durcissement, de radiographie éclair, des grands lasers de puissance ou des applications électromagnétiques de Défense.
Le candidat travaillera à Pau et se rendra régulièrement sur le site du CEA CESTA au Barp (33114) pour des réunions d’échange et des phases expérimentales.