Description du sujet de thèse

La supraconductivité est un état de la matière permettant la circulation de l'électricité, et donc la génération de champs magnétiques, sans dissipation. L’avènement commercial récent des rubans Supraconducteurs à Haute Température (HTS en anglais) ouvre des perspectives révolutionnaires pour certaines technologies de rupture requérant des champs magnétiques intenses, à savoir : l’analyse chimique RMN, l'imagerie médicale (IRM), les turbines ou moteurs électriques ultralégers et compacts (éoliennes, bateaux, avions…), et le confinement magnétique des réacteurs à fusion ou des accélérateurs de particules. Les rubans HTS permettent en effet de générer des champs magnétiques bien plus intenses, et la densité de puissance de fusion est proportionnelle à B4, suggérant des réacteurs à fusion simples, compacts et rentables peut-être plus rapidement que le projet de fusion ITER ne laissait l’espérer, selon plusieurs start-ups du secteur.
Les propriétés de transport électrique de ces rubans HTS en champ magnétique intense (supérieurs à 30T) restent cependant essentiellement inexplorées. Ces propriétés sont pilotées par le concept physique de piégeage des vortex supraconducteurs (vortex pinning). Dans les HTS l’application d’un fort champ magnétique conduit à la pénétration de tubes de champ portant un quantum de flux ϕ0 et entourés de supercourants : les vortex. En présence d’un courant, et s’ils ne sont pas piégés, ces vortex se déplacent sous l’action de la force de Lorentz en dissipant de l’énergie : il n’y a plus transport électrique sans dissipation. Ainsi, pour maximiser le courant critique (et éviter la destruction du ruban) il est nécessaire d’avoir à la fois des défauts nanométriques non-supraconducteurs qui piègent énergétiquement les vortex et une grande qualité cristalline autour des défauts pour maximiser la robustesse de l’état supraconducteur.
Au cours des deux dernières décennies, la recherche et l’industrie ont fait des progrès considérables dans la production de rubans HTS, fiable, en grande longueur (milliers de km/an) et avec une nanostructure optimisée pour maximiser le courant critique supraconducteur en champ magnétique nul ou modéré. La synthèse de ces rubans est une véritable prouesse technologique nécessitant un contrôle du matériau à l’échelle nanométrique. Elle requiert les technologies de salles blanches pour parfaitement épitaxier une céramique supraconductrice quaternaire (Terre Rare-Ba-Cu-O) cassante sur un ruban métallique flexible, et inclure dans cette matrice supraconductrice des défauts nanométriques contrôlés pour piéger les vortex supraconducteurs.
Un des axes de recherche actuels vise à augmenter le courant critique sous champ magnétique, ce qui permettrait d’envisager ces nouvelles machines « électromécaniques » de pointe. La question de la limite du piégeage des vortex à très fort champ magnétique (et donc très forte densité de vortex) reste ouverte. Expérimentalement, l’espace à explorer est vaste car il existe de nombreux sites de piégeages, naturels et artificiels : défauts ponctuels, joints de grains, fautes d’empilement, nanocolonnes, nanoparticules, … Et théoriquement, seul des méthodes numériques intensives permettent d’obtenir des résultats ab initio qui restent qualitatifs pour le courant critique, face à ce problème de physique statistique hors-équilibre de « lignes élastiques avec des propriétés quantiques » dans un milieu désordonné.
Objectif du projet :
La 1ère partie de la thèse consistera à étudier expérimentalement le lien entre nanostructure et propriétés de transport électrique de rubans SHT à basse température (77K - 1.5K) et jusqu’à 60 T au LNCMI-Toulouse. Les rubans avec différentes nanostructures seront sourcés via nos collaborations existantes.
La 2nd partie consistera à intégrer ces résultats aux outils numériques de modélisation des supraconducteurs déjà développés à l’institut Néel à Grenoble, en itérant entre modélisation et expérience. La gamme de champ magnétique 30-60T est essentiellement inexplorée dans ce domaine car les mesures ne fonctionnaient pas en champs pulsés. Le projet bénéficiera d’un setup expérimental innovant qui permet les mesures dans cette gamme de champ au LNCMI, l'un des 4 seuls laboratoires au monde où il est possible d'accéder régulièrement à des champs supérieurs à 30 T.
Ce projet de thèse sera associé à toutes les étapes de recherches : le montage des échantillons, la mesure et l’analyse/compréhension des données en lien avec la théorie, l’intégration des résultats aux modèles numériques, la présentation des résultats dans des articles et des conférences nationales/internationales.

Contexte de travail

Le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses(LNCMI), situé sur 2 sites (Toulouse et Grenoble), est un laboratoire du CNRS (UPR3228) et un Très Grand Instrument de Recherche (TGIR). Il est associé à l’INSA Toulouse, l’Université Grenoble Alpes (UGA), et l’Université Paul Sabatier (UPS, Toulouse).
Le LNCMI permet aux chercheurs d’effectuer des expériences dans les champs magnétiques parmi les plus intenses au monde. Des champs continus jusqu’à 36 T sont disponibles sur le site de Grenoble.

Ce contrat doctoral dont le lieu de travail est le LNCMI Toulouse s’inscrit dans le cadre d'une collaboration naissante entre le LNCMI (Toulouse et Grenoble) et l’Institut Néel (Grenoble). À ce titre plusieurs missions pouvant aller jusqu’à plusieurs mois à Grenoble sont à prévoir.
Le projet de recherche porte sur les propriétés électriques des rubans supraconducteurs à haute température critique (HTS) en présence de champs magnétiques intenses, dans le cadre du PEPR « Suprafusion ».
Le doctorat aura lieu au sein de l’équipe Nanostructures quantiques et matière topologique (« Nano ») au LNCMI Toulouse composée de 5 permanents.
Le projet bénéficiera notamment d’un système novateur de I-V pulsé à Toulouse ouvrant les études jusqu’à 60 T, et à Grenoble d’un système 2000 A et 35 T (DC) ainsi que des outils de modélisation déjà développés. Les rubans avec différentes nanostructures seront sourcés via nos collaborations existantes. Le LNCMI-EMFL est l'un des 4 seuls laboratoires au monde où il est possible d'accéder régulièrement à des champs supérieurs à 30 T.


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

Plusieurs missions pouvant aller jusqu’à plusieurs mois à Grenoble sont à prévoir. Des déplacements nationaux et internationaux de quelques semaines par an sont aussi à prévoir pour aller présenter les résultats en conférence et se former dans des écoles thématiques.