Thèse Ingénierie des Surfaces Supraconductrices pour les Accélérateurs de Particules et les Dispositifs Quantiques H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Image, Cosmos et Simulation Laboratoire de recherche : DRF-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) Direction de la thèse : Thomas PROSLIER ORCID 0000000262736772 Début de la thèse : 2027-10-01 Date limite de candidature : 2027-06-30T23:59:59 Ce projet de thèse vise à développer le dépôt par couches atomiques (ALD) comme stratégie d'ingénierie de surface des résonateurs supraconducteurs pour les accélérateurs de particules et les technologies quantiques. Grâce au contrôle nanométrique de l'épaisseur et de la composition des films, ainsi qu'à leur conformité sur des géométries complexes, l'ALD permet de modifier précisément la chimie de surface. Deux axes complémentaires seront explorés : le dopage contrôlé du niobium massif et l'élaboration de couches protectrices à très faibles pertes diélectriques.

Le premier axe concerne les cavités radiofréquences supraconductrices (SRF) en niobium massif. Des films d'épaisseur inférieure ou égale à 10 nm serviront de sources solides de dopants. Des recuits sous vide poussé permettront ensuite de contrôler leur diffusion dans la région superficielle soumise aux champs RF. Cette approche vise à améliorer l'homogénéité du dopage, à explorer de nouvelles espèces dopantes et à supprimer l'électropolissage après traitement. Une attention particulière sera portée à la prévention de la formation d'hydrures, tout en préservant le gap supraconducteur. Alors que les dopages à l'azote et à l'oxygène ont permis d'atteindre des facteurs de qualité proches de 5 × 10¹ à 2 K, le projet vise 8 × 10¹ à cette température et des gradients accélérateurs de 40-45 MV/m. Ces performances répondent aux besoins des futurs accélérateurs, notamment du Futur collisionneur circulaire (FCC). Ce volet bénéficie du soutien du projet européen EPITA, qui finance les consommables et les essais RF et offre un réseau de collaborations.

Le second axe porte sur des couches protectrices destinées à réduire les pertes diélectriques dans les résonateurs utilisés pour le calcul et les capteurs quantiques. Il ciblera notamment les défauts associés aux systèmes à deux niveaux, qui limitent les facteurs de qualité aux faibles niveaux d'excitation. Les cavités SRF constituent également des plateformes prometteuses pour le traitement de l'information quantique. Le projet s'appuie sur des traitements développés au CEA, combinant des couches minces d'oxydes diélectriques et des recuits après dépôt, qui ont permis d'obtenir des facteurs de qualité records en régime quantique. De nouveaux composés seront étudiés afin de réduire la densité des défauts et leur contribution aux pertes, et ainsi d'améliorer les performances des résonateurs.

La démarche expérimentale reposera sur une corrélation entre propriétés de surface et performances RF. La spectroscopie tunnel permettra de sonder localement les propriétés supraconductrices et d'identifier les mécanismes susceptibles de limiter les performances. Elle sera complétée par la spectroscopie de rayons X et la spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol (TOF-SIMS), afin de caractériser la chimie de surface et les profils de dopage. Les résultats guideront l'optimisation des compositions, des épaisseurs déposées et des conditions de recuit.
Deux équipements ALD seront mobilisés pour développer les revêtements sur des échantillons, puis transférer les procédés aux résonateurs. La faisabilité de cette transposition est étayée par la réalisation de couches présentant une excellente uniformité d'épaisseur et de composition à l'intérieur de cavités SRF. Les essais RF seront menés au laboratoire et avec des partenaires nationaux et internationaux. Les traitements les plus prometteurs seront notamment évalués à des températures de l'ordre du millikelvin par les collaborateurs de Fermilab.

À terme, cette thèse ambitionne d'identifier des traitements de surface capables de conjuguer de faibles pertes en régime quantique et des performances élevées aux forts gradients requis pour les accélérateurs. Elle contribuera à une compréhension des relations entre chimie de surface, défauts et propriétés supraconductrices, tout en développant des procédés transférables aux résonateurs. Ce projet s'inscrit dans le développement du future accelerateur de particule du CERN FCC qui s'orient vers des cavités en niobium massif. Les objectifs de performances demandées poussent a développer de nouvelle méthodes de dopage du niobium afin d'augmenter le plus possible le facteur de qualité et le champs accélérateur. Les effets du dopage en N ou O dans le niobium sont connus depuis une décennie, mais l'amélioration des facteur de qualité induite par les dopants sont limitée en champs accélérateurs.
Pour le volet quantique, l'augmentation des temps de cohérences et facteur de qualité est une étape essentielle vers l'ordinateur quantique et l'un des axes prioritaires de recherche dans le domaine des Qubits. L'un des facteurs causant la décohérence est la présence de défauts dans les interfaces, et en particulier dans les oxides natifs, appelé systèmes à deux niveaux (TLS en anglais). Notre équipe est pionnière au CEA pour avoir développé des méthodes stable a l'air pour réduire ces défauts d'un ordre de grandeur. Nous visons maintenant à aller plus loin et de gagner encore un ordre de grandeur en temps de cohérences. Au cours de la première année, le doctorant ou la doctorante sera formé(e) aux techniques de dépôt par couches atomiques (ALD) et de spectroscopie tunnel, ainsi qu'à l'utilisation des équipements associés. À l'issue de cette période, il ou elle devra être capable de préparer des échantillons en couches minces et de réaliser des mesures spectroscopiques en autonomie.
Au cours des deux années suivantes, le volet quantique et accélérateur du projet seront abordés en parallèle.
Le volet quantique sera mené en collaboration avec le centre Superconducting Quantum Materials and Systems (SQMS), piloté par le Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL). Différents procédés de fabrication et de traitement de surface seront étudiés afin de réduire les impuretés de surface et d'améliorer les facteurs de qualité, en visant notamment une diminution du paramètre d'élargissement spectral associé aux processus de diffusion.
Le volet consacré aux accélérateurs sera principalement réalisé au CEA, où les échantillons en couches minces et les cavités seront préparés et testés. Des cavités supplémentaires seront fournies et testées par les équipes partenaires de DESY, en Allemagne, et du CERN.
Le doctorant ou la doctorante analysera les données à l'aide de logiciels d'ajustement existants et pourra développer des outils d'analyse complémentaires selon les besoins. Les résultats seront valorisés par des présentations lors de conférences et d'ateliers internationaux, ainsi que par des publications dans des revues à comité de lecture. Les 6 derniers mois seront dédiés a la rédaction de thèse.
Les travaux seront menés au sein du laboratoire DACM/LiDC2, dans une équipe composée de trois chercheurs permanents et d'un doctorant travaillant sur ces thématiques de R&D. Ils bénéficieront également du soutien des techniciens et ingénieurs du laboratoire.
Le projet s'appuiera sur des moyens de caractérisation de pointe. La spectroscopie tunnel, les mesures de transport, les essais RF des cavités à température cryogénique ainsi que l'ensemble des traitements de surface nécessaires (traitements thermiques sous vide poussé, traitements chimiques de surface, etc.) seront réalisés au laboratoire. Des collaborations de proximité permettront de compléter ces études par des analyses XPS et de microscopie électronique à balayage (MEB) au CNRS-IJCLab, des mesures de diffraction et de réflectométrie des rayons X (XRD, XRR) et de magnétométrie SQUID à l'INSP-Sorbonne Université, ainsi que des analyses de microscopie électronique en transmission (MET) au LPS à Orsay. Les analyses TOF-SIMS seront réalisées par TESCAN Analytics dans le cadre de prestations de service.

The Work will occur at DACM/LiDC2 laboratory integrating a team of 3 permanents researchers devoted to these R&D topics and 1 Ph.D. student. This work will be supported by technicians and engineers also member of the laboratory.
The state if the art characterization methods will be done in house for Tunneling spectroscopy and transport measurements, cavity RF tests at cryogenic temperature and all te necessary surface treatments (high vacuum thermal treatments, surface chemistry...) and with nearby collaborators for XPS, SEM (CNRS-IJClab), XRD XRR, SQUID (INSP-Sorbonne University), TEM (LPS-Orsay University). TOF-SIMS will be purchase to TESCAN Analytics.