Description du sujet de thèse

Titre: Nanodiamants quantiques avec centres colorés du groupe IV pour la détection en conditions extrêmes
Mots-clés : technologies quantiques, nanodiamants, centres colorés, synthèse CVD, matière, optique, physique des hautes pressions.
Description scientifique
Le diamant est un matériau remarquable pour de nombreuses applications technologiques. Sa structure cristalline compacte et régulière permet son utilisation dans des domaines variés, tels que les capteurs de particules et l’électronique de puissance [1]. Grâce aux récents progrès dans les techniques de synthèse du diamant, de nouvelles perspectives s’ouvrent pour des applications à l’échelle quantique, notamment en physique des hautes pressions et en biophysique. Cette thèse porte sur la synthèse de nanoparticules de diamant par dépôt chimique en phase vapeur (CVD), intégrant des centres colorés du groupe IV (dits centres G4V, tels que les centres vacance-silicium (SiV), vacance-germanium (GeV), vacance-étain (SnV), etc.). Un centre G4V est un défaut ponctuel dans le réseau du diamant, constitué d’un atome du groupe IV (ex. : Si) et de deux lacunes adjacentes [2]. Ce défaut introduit des niveaux d’énergie dans la bande interdite du diamant, similaires à ceux d’un atome. Lorsqu’ils sont soumis à des perturbations extérieures (pression, température…), ces niveaux se déplacent, permettant au centre G4V d’agir comme capteur localisé de haute précision. Les centres G4V présentent une luminescence fortement concentrée dans la ligne de résonance (ZPL), représentant environ 80 % de l’émission totale, même à température ambiante, ce qui en fait d’excellents candidats comme sources de photons uniques. Du point de vue cristallographique, l’atome du groupe IV se positionne symétriquement entre deux lacunes, formant un complexe à symétrie d’inversion, garantissant une stabilité et des performances exceptionnelles sous des conditions extrêmes de température, de pression et de champ magnétique. Dans nos travaux récents, nous avons mis au point un protocole de synthèse de nanodiamants CVD contenant des centres SiV et GeV, et démontré leur première utilisation comme capteurs de pression et de contraintes [3, 4]. Ces résultats ouvrent de nombreuses pistes de recherche encore inexplorées, qui constitueront le cœur de cette thèse doctorale.
La thèse, au centre du projet NanoG4V, s’articule autour de trois objectifs principaux :
1. Synthétiser des nanodiamants CVD de haute qualité, de grade quantique, contenant des centres G4V émettant de manière stable et intense dans la ZPL, tout en étudiant l’environnement plasma (par simulations et expériences) afin de comprendre les mécanismes de formation des particules et d’incorporation des défauts.
2. Optimiser les propriétés optiques des nanodiamants G4V par des traitements originaux post-synthèse, avec des tests in situ réalisés au synchrotron SOLEIL pour améliorer leurs performances quantiques.
3. Réaliser des démonstrateurs de détection quantique, incluant :
(i) la magnétométrie quantique sous champs magnétiques de l’ordre du Tesla ;
(ii) la détection quantique sous pressions supérieures à 100 GPa pour des expériences en conditions extrêmes.
Références
[1] M. De Feudis, Thèse de doctorat, Université du Salento (Italie) et Université Sorbonne Paris Nord (France), 2018.
[2] C. Becher et al., Materials for Quantum Technology 3 (1) 2023, p. 012501.
[3] M. De Feudis et al., Advanced Materials Interfaces 7 (2) 2019, 1901408.
[4] B. Vindolet et al., Physical Review B 106 (21) 2022, p. 214109.
Profil recherché
Le ou la candidat·e idéal·e est titulaire d’un Master (ou équivalent) en physique, science des matériaux, nanosciences ou domaine connexe, et manifeste un fort intérêt pour la recherche expérimentale à l’interface entre technologies quantiques et synthèse des matériaux. Dynamisme et motivation sont des qualités indispensables à la réussite de ce projet.
Techniques et méthodes
Le projet adopte une approche pluridisciplinaire combinant la synthèse de nanodiamants par CVD, la caractérisation et simulation de plasmas, l’analyse structurale et optique des centres colorés (photoluminescence, spectroscopie Raman, microscopie électronique), ainsi que des techniques avancées de haute pression. Une expérience préalable avec les systèmes sous vide, les lasers, la spectroscopie ou la modélisation numérique (ex. : plasma ou simulations moléculaires) sera valorisée. Le ou la doctorant·e bénéficiera d’un environnement international dynamique, avec accès à des infrastructures de recherche de grande échelle, dont le synchrotron SOLEIL.
Contact :
Mary De Feudis, Maîtresse de conférences, responsable du projet NanoG4V
mary.de.feudis@chimieparistech.psl.eu
Lieu de la thèse
La thèse se déroulera à l’Institut de Recherche de Chimie Paris (IRCP), Chimie ParisTech – PSL, 75005 Paris. Le ou la doctorant·e effectuera également une partie de son travail dans les laboratoires partenaires du projet NanoG4V : LSPM (Université Sorbonne Paris Nord, Villetaneuse) et LuMIn (ENS Paris-Saclay, Gif-sur-Yvette).
Durée : 36 mois.
Début prévu : octobre 2025.
Financement : ANR JCJC NanoG4V, ANR-24-CE51-7558
Compétences visées
À l’issue de la thèse, le ou la doctorant·e devra :
• Avoir acquis une expertise solide en synthèse et caractérisation avancée de nanodiamants quantiques contenant des centres colorés du groupe IV ;
• Maîtriser les mécanismes de détection quantique en conditions extrêmes, notamment sous champs magnétiques élevés et pressions ultra-hautes ;
• Développer des protocoles CVD optimisés et des traitements post-synthèse pour produire des centres colorés purs et performants, contribuant ainsi au domaine des technologies quantiques ;
• Réaliser des démonstrations de détection quantique à base de nanodiamants en conditions physiques extrêmes ;
• Présenter les résultats de recherche dans des conférences internationales et publier dans des revues scientifiques de haut niveau dans les domaines des nanomatériaux, de la détection quantique et de la physique appliquée.

Contexte de travail

Tout au long de son doctorat, le ou la doctorant·e sera encadré·e par Mary De Feudis, responsable du projet NanoG4V, et co-encadré·e par les membres du groupe NanoG4V. Il ou elle bénéficiera également du soutien des jeunes chercheurs de l’équipe, ainsi que des collaborateurs de l’équipe CQSD-MPOE de l’IRCP (notamment Philippe Goldner). La thèse s’appuie sur des collaborations établies avec les laboratoires LSPM et LuMIn, permettant une formation pratique en synthèse plasma et en physique des hautes pressions, aux côtés d’experts reconnus : Fabien Bénédic, Jocelyn Achard, Jean-François Roch et Marie-Pierre Adam. Tous les équipements nécessaires aux expériences sont déjà opérationnels.

Contraintes et risques

Faibles risques chimiques : les particules sont confinées dans des solutions liquides. Faibles risques électriques : les étudiant·es reçoivent une formation à l’utilisation des sources plasma et des équipements électriques associés.