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Thèse (H/F) Etude de transitions de Mott ultrarapides pour le développement d'une intelligence artificielle économe en énergie

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : vendredi 27 mai 2022

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Informations générales

Référence : UMR6502-ETIJAN-002
Lieu de travail : NANTES
Date de publication : vendredi 6 mai 2022
Nom du responsable scientifique : Etienne JANOD
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Etat de l'art
Le monde dans lequel nous vivons est de plus en plus influencé par l'utilisation massive des Technologies de l'Information et de la Communication (TIC). Cependant, une contrepartie majeure des progrès extraordinaires des TIC est leur consommation d'énergie, qui représente 10 % de l'électricité mondiale en 2021, avec une croissance annuelle de 9 %. Ces énormes dépenses énergétiques pourraient être considérablement réduites en changeant l'architecture des ordinateurs actuels, qui fonctionnent sur le paradigme de Von Neumann vieux de 75 ans, pour une architecture basée sur des réseaux de neurones imitant le cerveau humain potentiellement beaucoup plus économe en énergie. Cette approche basée sur l'Intelligence Artificielle est actuellement réalisée par des logiciels fonctionnant sur des ordinateurs "Von Neumann" standard, ce qui la rend efficace mais toujours aussi vorace en énergie. Une véritable percée en matière d'efficacité énergétique consisterait à mettre en œuvre des réseaux de neurones matériels basés sur des synapses et des neurones artificiels.
Une voie possible pour relever ce défi est de se tourner vers les matériaux quantiques, c'est-à-dire des matériaux dont les propriétés résultent de fortes corrélations et/ou de la nature topologique de leurs états électroniques. En particulier, les transitions isolant-métal (TIM) existant dans la classe des isolants de Mott suscitent actuellement un grand intérêt dans le monde entier, et le terme 'Mottronique' a été inventé pour représenter le concept de technologie électronique exploitant de telles transitions de Mott. Ainsi, l'équipe de l'IMN a démontré que le champ électrique, paramètre de contrôle adapté aux applications en microélectronique, offrait un moyen simple de contrôler la TIM dans les isolants de Mott. De plus, nous avons établi et breveté que cette "transition de Mott électrique" peut être utilisée pour mettre en œuvre les deux éléments essentiels d'un réseau de neurones matériel, la synapse artificielle et le neurone artificiel. Récemment, l'IMN a obtenu un financement pour un projet régional appelé MOTT-IA (2022-2026), dont l'objectif principal est de construire le premier réseau de neurones matériel utilisant les synapses et les neurones de Mott. Ce projet de nature applicative est basé sur les connaissances et la compréhension actuelles de la transition électrique de Mott.
Cependant, la découverte de la Transition de Mott Électrique est encore très récente. Son potentiel d'application et ses performances ultimes, notamment en termes de vitesse de commutation, restent à évaluer. Des études fondamentales sont donc nécessaires à ce stade. Nos études récentes montrent que la transition de Mott électrique est liée à la création d'électrons chauds, qui à leur tour entraînent une réponse compressive du réseau. Le rôle clé joué par les électrons chauds suggère fortement qu'au-delà du champ électrique, la lumière est également capable d'induire des effets similaires. Or, le développement impressionnant des techniques de pompe-sonde ultra-rapides au cours des deux dernières décennies permet désormais de sonder les dynamiques des électrons et du réseau après la création initiale d'électrons chauds par de courtes impulsions laser dans la gamme femtoseconde (1 fs = 1e-15 s). De telles techniques, tout à fait appropriées pour une étude fondamentale des transitions isolant-métal de Mott hors d'équilibre, ne sont pas disponibles à l'IMN. Nous avons donc lancé il y a quelques années une collaboration avec l'Institut de Physique de Rennes (IPR), où existe une forte expertise dans les techniques pompe-sonde ultrarapides. L'IMN et l'IPR se sont associés dans le cadre du Laboratoire International Associé France - Japon (IMLED, 2017-21), qui deviendra un Laboratoire International de Recherche (IRL) axé sur le Contrôle Dynamique des Matériaux (DYNACOM, 2022- 26). La thèse présentée ici sera donc le pendant fondamental du projet à vocation appliquée MOTT-IA, et sera menée en étroite collaboration entre l'IMN et l'IPR, avec une implication supplémentaire de nos partenaires japonais.

Verrous scientifiques, objectifs, méthodologie et résultats attendus.
L'objectif principal de la thèse est de comprendre les mécanismes fondamentaux impliqués dans la transition de Mott électrique, qui gouvernent les performances ultimes des deux dispositifs de rupture de la Mottronique, à savoir les mémoires (ou synapses) et les neurones de Mott. Les résultats attendus de ces travaux de thèse auront d'une part un impact direct sur le projet Mott-IA (évaluation des performances ultimes, compréhension des mécanismes en vue du développement industriel, compréhension de l'impact des protocoles de pulse sur le matériau) et d'autre part ouvriront de nouvelles perspectives sur le futur de la Mottronique.
Dans cette thèse, un premier axe visera à comprendre quels sont les paramètres physiques qui régissent les temps de commutation ultimes de la transition de Mott électrique. En effet, nous avons montré que celle-ci était liée à l'apparition d'un filament conducteur. Or ce phénomène d'origine essentiellement électronique doit conduire à une réaction du réseau cristallin dans le filament qui pourrait jouer un rôle essentiel pour stabiliser l'état conducteur, propriété à l'origine de la fonctionnalité mémoire et synapse de Mott. Pour cela, nous proposons d'une part d'étudier la réponse temporelle des isolants de Mott soumis à des impulsions électrique ou lumineuses. L'utilisation d'expériences pompe-sonde résolues en temps, impliquant une excitation par des impulsions laser ultracourtes (typiquement 100 fs) sera particulièrement intéressante. Cette excitation induit en effet, comme l'impulsion électrique, la création d'électrons chauds, et donne de plus accès aux échelles de temps intrinsèques des réponses électroniques (inférieurs à 1 ps) et du réseau cristallin (1-1000 ps). En pratique, nous chercherons à :
- établir le temps caractéristique ultime nécessaire pour induire une transition de phase hors équilibre isolant de Mott -métal qui concerne 100 % du volume. Pour cela, des expériences pompe – sonde de réflectivité résolues en temps seront menées à l'IPR Rennes sur plusieurs isolants de Mott synthétisés à l'IMN, à la fois sous forme de monocristaux et de couches minces,
- comprendre la nature et la dynamique de la réponse structurale à l'œuvre dans la transition isolant de Mott - métal hors équilibre. Nos travaux récents suggèrent que la réponse structurale des isolants de Mott suite à la création d'électrons chauds est inverse à celle de la plupart des solides, puisqu'elle correspond à une compression du volume de maille. Nous proposons d'adresser cette question par des mesures de diffraction des rayons X résolues en temps (tr-XRD). Ces techniques sont pour la plupart situées dans des grands instruments et dépendront donc du succès des demandes d'expériences. Toutefois, l'IPR possède une grande expertise dans les mesures de tr-XRD ce qui renforcera les chances de succès des demandes d'expérience .

Dans le deuxième axe de cette thèse, nous chercherons à établir la preuve de principe d'un réseau de neurones de Mott "tout optique" fonctionnant un million de fois plus rapidement qu'un réseau de neurone piloté par impulsions électriques. Pour cela, il faudra valider deux nouveaux concepts. Tout d'abord, il s'agira d'essayer d'induire des transitions isolant-métal non-volatiles pilotées par des mono-impulsions lumineuses. Dans le cadre de la collaboration IMN-IPR en cours, nous avons réalisé des expériences techniquement assez proches. Enfin, nous viserons à implémenter un neurone artificiel piloté uniquement par la lumière dans la suite de nos travaux communs récents validant le concept de neurones électro-optiques de Mott. Nous utiliserons pour cela un équipement spécifique de l'IPR qui permet de générer des multi-impulsions lumineuses séparées entre elles de quelques dizaines de picosecondes.
Globalement, le premier axe décrit ci-dessus constituera un appui direct au projet Mott-IA, en guidant notamment le choix du matériau optimal et en permettant d'optimiser les protocoles d'application des impulsions électriques. Le deuxième axe visera à évaluer les futurs développements de la Mottronique, en particulier en direction de l'Intelligence Artificielle ultrarapide.

Complémentarité des équipes / contribution des participants.
Les deux équipes impliquées dans ce projet de thèse FAST-IA, appartenant l'une à l'Institut des Matériaux de Nantes Jean Rouxel (IMN) et l'autre à l'Institut de Physique de Rennes (IPR), se connaissent bien et collaborent étroitement depuis plusieurs années. En particulier, elles ont travaillé ensemble dans deux projets ANR récents (Elastica 2016-20 et Electrophone 2019-22), ainsi que dans le cadre d'un LIA (2017-21) et d'un IRL (2022-2025) France-Japon. Dans ce projet, leur rôle sera très complémentaire. L'IMN apporte à la fois la problématique de la transition de Mott électrique, son expertise dans le domaine des matériaux quantiques fortement corrélés, ainsi que sa capacité à synthétiser des matériaux bien caractérisés à la fois sous forme de monocristaux et de couches minces. L'IPR amène dans ce projet collaboratif sa très forte compétence dans la physique des transitions de phase, notamment hors équilibre, ainsi que sa grande maitrise des techniques pompe-sonde résolues en temps.

Rôle du/de la doctorant-e.
Le rôle du/de la doctorant-e dans ce projet sera tout à fait essentiel. En effet, il/elle sera chargé-e d'une part de la préparation et de la caractérisation avancée de différents composés isolants de Mott à la fois sous forme de monocristaux et de couches minces. Pour cela, il/elle bénéficiera à la fois de l'expertise en la matière de l'équipe de l'IMN, ainsi que de l'accès à la plateforme de synthèse et de caractérisation du laboratoire. D'autre part, il/elle s'impliquera largement dans les mesures résolues en temps qui seront réalisées à l'IPR. Par ailleurs, il/elle participera activement aux campagnes de mesures sur grands instruments (ESRF, SwissFEL, MAX IV, Soleil), sur lesquels nos deux laboratoires obtiennent régulièrement deux expériences par an. La proximité géographique entre les deux laboratoires facilitera largement les échanges directs et les déplacements nécessaires pour mener à bien cette thèse. Le/la doctorant-e passera quelques semaines au Japon pour des expériences pompe-sonde avec des résolutions temporelles ultimes (inférieur à 10 fs), dans le cadre de l'IRL DYNACOM qui implique les Universités de Tohoku (Sendai), de Tokyo et le Tokyo Institute of Technology. Le/la candidat-e sera amené-e à présenter ses résultats dans des conférences nationales et internationales et à rédiger les articles scientifiques reliés à son travail. Le profil recherché pour cette thèse est celui d'un Master en physique de la matière condensée, avec une attention spéciale portée aux candidats ayant reçu une formation avancée en optique.

Contexte de travail

Cette thèse est financée dans le cadre d'un projet interdisciplinaire du CNRS. Il implique deux laboratoires, l'IMN situé à Nantes (www.cnrs-imn.fr) et l'IPR situé à Rennes (www.ipr.univ-rennes1.fr), situés à environ 100 km l'un de l'autre.
Le/la doctorante sera inscrit(e) à l'école doctorale 3M (Matériaux Matières Molécules) de l'Université de Nantes et sera rattaché à l'équipe Physique des Matériaux et Nanostructures (PMN). Pour la partie rennaise, il / elle travaillera dans le Département Matériaux et Lumière.
Le/la doctorante sera co-supervisé(e) par les deux responsables scientifiques du projet, Maciej Lorenc (IPR) et Etienne Janod (IMN). L'encadrement impliquera également les autres chercheurs des deux équipes de l'IMN et de l'IPR.

Contraintes et risques

Travail sur deux laboratoires séparés de 100 km
Risques habituels liés à l'usage de lasers

Informations complémentaires

Le profil recherché pour cette thèse est celui d'un Master en physique de la matière condensée, avec une attention spéciale portée aux candidats ayant reçu une formation avancée en optique.
Par ailleurs, d'autres compétences seront importantes pour mener à bien cette thèse, comme par exemple:
- Maîtriser la langue anglaise (lu, parlé, écrit),
- savoir conduire un projet,
- avoir de bonnes qualités rédactionnelles et la capacité à communiquer et valoriser les travaux (présentation de posters, participation à des congrès, ...)
- savoir travailler en équipe.

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