Transitions de Phase Photoinduites Ultrarapides dans des Matériaux à Changement de Phase de Type Ferroélectriques sans Plomb H/F CNRS

Détail du poste

Positionnement du projet scientifique :
En raison de leurs remarquables propriétés électriques et optiques, les matériaux à changement de phase (PCM) ont attiré beaucoup d'attention, tant pour la science fondamentale que pour leur potentiel d'application. Aujourd'hui, un domaine en plein essor utilisant divers PCM est celui du calcul neuromorphique dans la perspective de créér des neurones et synapses artificiels physiques. Le potentiel pour une réduction du coût énergétique et pour l'accélération du processus d'inférence et d'apprentissage de l'intelligence artificielle est particulièrement intéressant. L'émulation des neurones et des synapses est souvent basée sur les memristors, qui permettent d'accéder à plusieurs états de résistivité par un stimulus externe. Cette commutation entraîne une variation significative des propriétés physiques telles que la résistivité, la permittivité diélectrique ou l'aimantation. L'échelle de temps typique pour la commutation dans différents matériaux s'étend de centaines de nanosecondes à plusieurs centaines de picosecondes.

La réduction des temps de commutation caractéristiques et de la consommation d'énergie nécessite un changement de paradigme en passant de la commutation résistive à d'autres mécanismes tels que la commutation optique. Aujourd'hui, la commutation entièrement optique entre deux configurations magnétiques présentant un « 1 » et un « 0 » logiques a été démontrée dans des systèmes magnétiques tels que les alliages métalliques magnétiques [1,2]. Cependant, ce phénomène se produit au sein d'une phase magnétique établie et n'est pas assimilé à une transition de phase thermodynamique. Récemment, il a été démontré qu'une transition de phase paraélectrique à ferroélectrique était possible dans le strontium-titanate (SrTiO3) paraélectrique commandé par des impulsions optiques térahertz ultracourtes [3]. Ce résultat remarquable ouvre la possibilité de créer une phase ferroélectrique métastable à partir d'une phase paraélectrique quantique dans un matériau soumis à des impulsions térahertz intenses à l'échelle de la picoseconde. Dans le cas du SrTiO3 paraélectrique quantique, cette transition de phase pilotée optiquement se produit à une température très basse, inférieure à 50 K, ce qui le rend difficilement utilisable pour des applications technologiques au quotidien.
Projet :
Ce projet de thèse abordera la physique sous-jacente aux transitions de phase photoinduites à l'échelle de temps de la femtoseconde à la nanoseconde dans une nouvelle classe de PCM, plus précisément les matériaux ferro- et antiferroélectriques sans plomb.
Pour relever les défis susmentionnés, la recherche se concentrera sur les matériaux pérovskites ferroélectriques et antiferroélectriques déposés sous forme de couches minces par ablation laser pulsée dans le cadre d'un projet de recherche national de l'ANR (= « FASTPHASE »). Ces matériaux présentent plusieurs transitions de phase ferroélectrique à paraélectrique et antiferroélectrique à ferriélectrique à température ambiante.
Après une charactérisation approfondie des différents états stables au moyen de la spectroscopie d'absorption optique et THz et de la génération de seconde harmonique, de la transition de phase thermique, on étudiera leur dynamique à partir d'une excitation photo-induite ultrarapide utilisant à la fois l'excitation vis-UV et l'excitation THz. Ces études de la dynamique seront réalisées à la fois par des mesures optiques résolues dans le temps et par la diffraction des rayons X résolue dans le temps sur des échelles de temps allant de la femto à la picoseconde [4-6].
Références :
[1] C.-H. Lambert et al., Science 345, 1337 (2014).
[2] A. V. Kimel et al., Nature 435, 655 (2005).
[3] X. Li et al., Science 364, 1079 (2019).
[4] M. Hervé et al., Nat Commun 15, 267 (2024).
[5] Y. Tokura, J. Phys. Soc. Jpn. 75, 011001 (2006).
[6] T. Kampfrath, K. Tanaka, and K. A. Nelson, Nature Photon 7, 680 (2013).

Contexte de travail
Encadrement et lieu de la thèse :
Cette thèse de doctorat sera supervisée par N. Keller et R. Bertoni pour la recherche axée sur l'interaction lumière-matière résolue dans le temps et par C. Mariette pour les études de diffraction des rayons X résolues dans le temps, essentiellement réalisées dans des très grandes infrastructures de recherche telles que l'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF).
Cette thèse vise à former un doctorant aux techniques de spectroscopie optique et de diffraction des rayons X résolues dans le temps.
Le travail quotidien implique de fortes interactions avec tous les membres de l'équipe travaillant dans le laboratoire laser.
Compétences et connaissances requises
Les candidats doivent avoir des connaissances approfondies en optique et en physique des solides. De plus, de solides connaissances en spectroscopie optique et en techniques expérimentales connexes sont recommandées. De bonnes compétences en matière de programmation, d'interface, de traitement et d'analyse des données (si possible en utilisant le logiciel Python) sont fortement appréciées. Le candidat au doctorat sera fortement encouragé à présenter les résultats scientifiques dans des conférences nationales et internationales. L'anglais est la langue de travail au département. Nous recherchons des candidats ayant le goût du travail expérimental au sein d'une équipe interculturelle, ayant de bonnes capacités de communication et développant une approche méticuleuse avec le souci du détail.
Conditions d'emploi :
Les contrats établis par le CNRS comprennent le salaire mensuel, les cotisations de retraite et ouvrent droit à une couverture sociale complète et à des indemnités de chômage. Les doctorants n'ont pas d'obligations d'enseignement à l'Université de Rennes. Rennes est une ville française de taille moyenne située à moins d'1h30 de Paris et à 1h de la côte, offrant un style de vie relaxant avec de nombreuses activités culturelles et sportives.
Département de recherche :
Le candidat travaillera au sein du « Département Matériaux et Lumière » de l'Institut de Physique de l'Université de Rennes. Nos recherches portent sur les phénomènes hors équilibre ultrarapides dans les matériaux et les molécules en utilisant des techniques optiques et de rayons X avec une résolution temporelle de l'ordre de la femtoseconde à la picoseconde. L'équipe fait maintenant partie d'un nouveau laboratoire de recherche international (IRL-DYNACOM) impliquant des universités françaises et japonaises (Université de Tokyo, Université de Tohoku).
Plus d'informations sont disponibles sur le site web : https://ipr.univ-rennes.fr/en/materials-and-light-departement

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
Contraintes et risques
Le travail de thèse sera effectué à l'Institut de Physique de Rennes et partiellement à l'ESRF. Le département matériau et lumière a construit au fil des années un laboratoire laser ultrarapide étendu, comprenant plusieurs installations de spectroscopie d'absorption résolue en temps et des installations optiques pour la génération IR et THz ainsi que des études optiques résolues en temps.
Le travail quotidien implique de fortes interactions avec tous les membres de l'équipe travaillant dans le laboratoire laser.