La Graduate School Spectrum finance 6 bourses doctorales en partenariat !

La Graduate School Spectrum d’Université Côte d'Azur, spécialisée en sciences fondamentales et ingénierie, s'appuie sur les expertises de ses laboratoires de recherche pour promouvoir l'excellence disciplinaire et/ou le travail interdisciplinaire de ses jeunes chercheuses et chercheurs. Elle co-finance cette année six contrats de thèse (de 3 ans) ainsi qu'un contrat de thèse centré sur les technologies quantiques via un financement du projet QuanteDu France porté par l’Institut Quantazur.

Doctorants ayant décroché une bourse de thèse

Elizabeth Alvarez – Institut de Chimie de Nice

Projet : SPACE BioMAT - Composites à base des résines 100% biosourcé, éco-respectueuses et recyclables - cofinancé par Thales Alenia Space

SPACE BioMAT vise à développer des matériaux durables pour les applications spatiales. Actuellement, les résines et matériaux composites utilisés dans les domaines spatial et aéronautique proviennent du pétrole en raison de leurs propriétés adaptées à l'environnement spatial. Cependant, la synthèse de ces résines époxy implique souvent des réticulants pétroliers ou toxiques, comme les diamines aromatiques. Le projet cherche à remplacer ces résines contenant du bisphénol A (DGEBA) par des alternatives 100% biosourcées avec de bonnes performances thermomécaniques.

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Pour y parvenir, SPACE BioMAT prévoit d’utiliser des ressources naturelles telles que la lignine, la vanilline, le phloroglucinol ou des dérivés furaniques, afin de produire des résines époxy présentant des transitions vitreuses élevées, de bonnes propriétés thermomécaniques et une faible absorption d'eau.

En plus de répondre à un besoin identifié par l'ESA, SPACE BioMAT vise à renforcer la collaboration entre Université Côte d’Azur via l’Institut de Chimie de Nice, l'ESA, Thales Alenia Space (TAS) et l’entreprise de fabrication plastique North Thin Ply Technology (NTPT). L'objectif est de développer de nouvelles capacités européennes et d'augmenter le TRL (Technology Readiness Level) pour la qualification spatiale. Cela permettra d'atteindre l'application dans des conditions réelles, garantissant ainsi que les nouvelles résines biosourcées sont prêtes pour une utilisation dans l'industrie spatiale.

Dans ce cadre, les fonds seront utilisés pour financer le contrat de la doctorante Elizabeth Alvarez, qui travaillera en milieu industriel sous la direction du Pr. A. Mija de l’Institut de Chimie de Nice. Elle collaborera avec Thales Alenia Space (TAS), le Dr Ugo Lafont de l'ESA, et l’entreprise NTPT sur le développement de résines thermodurcissables biosourcées pour l'industrie des composites. Le consortium, dirigé par Université Côte d’Azur, tirera parti des expertises en chimie et physico-chimie macromoléculaires et thermodurcissables de l’Institut de Chimie de Nice, en synthétisant les monomères et résines au laboratoire et en menant les caractérisations physico-chimiques des résines et composites.

Maïder Bloch – Laboratoire GEOAZUR

Projet : TSUNAMORGOS : Bilan du tsunami sismique et gravitationnel aléa dans les Cyclades : apport de nouvelles connaissances géologiques et géophysiques contraintes physiques sur le tsunami d'Amorgos – cofinancé par le Commissariat à l’Energie Atomique et aux énergies alternatives (CEA)

Le 9 juillet 1956, un séisme de magnitude 7,7 frappe l’île d’Amorgos dans les Cyclades, suivi d’un tsunami avec des vagues atteignant jusqu'à 30 mètres de hauteur. Ce tsunami, comme de nombreux autres, est encore mal compris aujourd’hui, notamment parce que de nombreux tsunamis historiques et modernes, dont celui d'Amorgos, sont encore mal compris. Ce projet vise donc à comprendre les événements du 9 juillet 1956 afin de mieux définir les risques sismiques et de tsunamis en Méditerranée. La probabilité que des tsunamis causés par des tremblements de terre inondent à nouveau les côtes méditerranéennes restant élevée.
 

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La rareté des sismomètres à l'époque empêche une bonne caractérisation des séismes historiques (profondeur, magnitude, longueur de rupture, etc.), limitant notre compréhension des sources de tsunamis et notre capacité à prédire de futurs tremblements de terre importants. Cependant, de nouvelles données marines acquises en 2022 et 2023 révèlent des preuves géologiques pouvant mieux contraindre le tsunami d'Amorgos et la géométrie de la rupture sismique.

Dans ce cadre, un contrat de thèse de 3 ans a été alloué à Maïder Bloch. Le premier objectif est d'utiliser ces nouvelles observations géologiques et les données sismologiques historiques, via la modélisation du tsunami, pour comprendre ce qui s'est passé le 9 juillet 1956. Cela permettra de mieux caractériser les risques sismiques et tsunamis en Méditerranée. Le deuxième objectif est de calculer des cartes d'inondation le long des côtes les plus peuplées de la mer Égée, comme Santorin, afin de contribuer aux évaluations des risques de l'archipel.

Avec les données disponibles à Géoazur, les méthodes développées au CEA, et des collaborations impliquant un panel interdisciplinaire d'experts internationaux, ce projet de doctorat, intégré à l'ANR AMORGOS, a le potentiel de combler des lacunes dans l'évaluation des risques sismiques et tsunamis induits par les failles sous-marines en milieu vulnérable.

Pour ce sujet de thèse, Maïder Bloch travaillera avec trois encadrants : Frédérique Leclerc, tectonicienne au laboratoire Géoazur, Audrey Gailler, experte en modélisation des tsunamis au CEA, et Françoise Courboulex, sismologue au laboratoire Géoazur. Des scientifiques grecs et internationaux, dont Marinos Charalampakis (Observatoire national d'Athènes, NOA) et Emile Okal (Northwestern University, USA), contribueront également à ce projet en fournissant des analyses et des données cruciales.

Alex Guinard – Laboratoire GEOAZUR

Projet : Mantle anomaly detection for Moon and Mars using tidal de formation and the Earth geophysics software CITCOM / CITCOM-Moon – cofinancé par le Centre National d'Etudes Spatiales (CNES)

La Lune continue de susciter des interrogations, notamment avec ce projet de thèse visant à développer de nouveaux outils pour réaliser une tomographie 3D de son intérieur. Peu après sa formation, il y a environ 4,22 milliards d’années, le manteau lunaire aurait subi un renversement complet. Les roches denses en fusion à la surface se seraient écoulées vers l’intérieur, puis seraient remontées sous forme de lave. Ce phénomène pourrait expliquer l’asymétrie de sa structure géochimique et les anomalies gravitationnelles associées. En utilisant des méthodes numérique de résolution par éléments finis, ce projet doctoral vise à modéliser l’initiation et la stabilité des cumulats basaux denses pour examiner l’histoire des anomalies de densité dans le manteau lunaire.
 

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Après son accrétion, le manteau lunaire, soit la couche intermédiaire entre le noyau et la croûte de la Lune au cours de son évolution, était totalement fondu. Lors du refroidissement, une cristallisation fractionnée s’est produite, formant un cumulat riche en ilménite (oxyde de fer et de titane), clinopyroxène (composants courants des roches magmatiques et métamorphiques) et KREEP (Terres rares). Ces cumulats denses, initialement sous-jacents à des cumulats plus légers, pourraient avoir subi un « renversement du manteau » spontané, formant une couche dense à la base du manteau lunaire. D’autres modèles suggèrent un déclenchement externe, tel que l’impact géant du pôle Sud-Aitken, qui aurait induit des instabilités thermochimiques.

Dans une étude récente publiée dans Nature (Briaud et al. 2023), l’équipe-projet a combiné la modélisation des marées, des contraintes thermodynamiques et géophysiques pour déduire l’existence d’un noyau interne solide et d’une couche dense au bas du manteau lunaire, compatible avec les cumulats riches en ilménite issus du renversement du manteau. Ces résultats ont été obtenus grâce aux déformations de la Lune induites par les marées terrestres.

Des questions subsistent : un profil 1D (coquille d’oignon) est-il réaliste pour le manteau lunaire ? Quelle est la distribution 3D des anomalies en termes de viscosité, de rigidité et de densité ? Ces anomalies sont-elles liées au scénario de renversement du manteau ? Pour y répondre, de nouveaux outils seront donc développer pour cartographier en 3D l’intérieur de la Lune et examiner l’histoire des anomalies de densité dans son manteau. L’étude sera ensuite étendue à Mars et Mercure pour préciser les règles d’évolution précoce des corps planétaires similaires à la Terre.

Ce travail doctoral, sélectionné par le programme doctoral du CNES, sera mené par Alex Guinard, ancien étudiant du parcours 3G d’Université Côte d’Azur et impliquera des spécialistes en pétrochimie, géodésie, géophysique et géodynamique. Dans un premier temps, une version améliorée de CitcomSVE, un logiciel d'éléments finis tridimensionnel, sera utilisée pour modéliser la déformation viscoélastique du manteau planétaire en réponse aux charges de surface et de marée, afin d'explorer l’influence des anomalies du manteau. Les résultats obtenus seront ensuite confrontés aux observations géodésiques (GRAIL, LRO). Le modèle mathématique du Random Walk sera utilisé pour explorer et caractériser de manière aléatoire les anomalies potentielles (position, taille, contrastes de viscosité et de rigidité) afin de valider les modèles en reproduisant les déformations observées.

Alex Guinard sera dirigé par le professeur A. Mémin, géophysicien et membre du conseil scientifique du Groupe de Recherche de Géodesie Spatiale depuis 2017, ainsi que par A. Fienga, experte en éphémérides et géophysique planétaire, tous deux au laboratoire GEOAZUR. D'autres collaborations avec le laboratoire GEOAZUR sont prévues, notamment avec le professeur N. Coltice pour les aspects géodynamiques et C. Ganino, expert en modélisation numérique de la pétrologie à haute température, dans le domaine de l'évolution du système solaire précoce et des sciences planétaires.

Les résultats attendus devraient améliorer notre compréhension des processus primordiaux des planètes telluriques, influençant les scénarios d’accrétion, l’évolution précoce du noyau et de la lithosphère, et le développement du champ magnétique planétaire.

Nathan Lecaron – Institut de Physique de Nice

Projet : Dispositifs et solutions innovantes pour les réseaux de communications quantiques (QCOMTESTBED)  – cofinancé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

Ce projet doctoral se concentre sur le développement d'une source de lumière monophotonique utilisant le nitrure de gallium (GaN), un semi-conducteur largement utilisé dans l'industrie des semi-conducteurs optoélectroniques. Composé de gallium (Ga) et d'azote (N), le GaN possède plusieurs propriétés intéressantes pour les applications photoniques : une large bande interdite, une haute mobilité électronique, une stabilité thermique et une résistance chimique. Par exemple, ce semi-conducteur sera utilisé dans les prochains radars de l’avion de combat français.

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La source de lumière sera conçue pour fonctionner à température ambiante et émettre à une longueur d'onde de 1,3 μm, ce qui est idéal pour la distribution de clés quantiques via une fibre optique de 50 km. En émettant des photons uniques à cette longueur d'onde, la nouvelle source augmentera considérablement l'efficacité du système de distribution de clés quantiques. Cela permettra des communications quantiques plus rapides, fiables et sécurisées, répondant ainsi aux besoins croissants en matière de sécurité des données dans notre monde numérique de plus en plus interconnecté.

Car actuellement, les sources laser utilisées pour des applications similaires sont limitées en efficacité : seulement 1 % des impulsions lumineuses contiennent un photon. Cette restriction ralentit la distribution des qubits et limite les possibilités de développer des protocoles plus avancés. Le développement de sources de photons uniques à la longueur d'onde des télécommunications est donc crucial pour offrir des solutions de communication quantique véritablement sécurisées.

Nathan Lecaron, le doctorant de ce projet est déjà impliqué dans ce travail de recherche. Lors de son stage de Master 2 au CRHEA au sein du cursus « Ondes, Atomes et Matière » il a mis en place un banc de test basé sur la photoluminescence avec fibre. Cet outil sera indispensable pour évaluer les performances quantiques des dispositifs développés. Plus précisément, ce banc de test permettra de vérifier si un seul photon est émis à la fois (monophonie). De plus, il aidera à optimiser les paramètres de fabrication et à comprendre les mécanismes fondamentaux qui influencent l'efficacité et la stabilité de la source lumineuse. À ce jour, un niveau de performance de pointe a été atteint en termes de luminosité pour ce type d'émetteur, et l'implémentation d'un système de codage qubit efficace a débuté.

Pendant cette thèse, plusieurs nouveaux défis seront à relever, notamment le déploiement sur le premier réseau quantique expérimental en France, le réseau Quantum@UCA développé par Université Côte d’Azur en partenariat avec Orange. Cela nécessitera d'optimiser les performances de la source monophotonique en développant des structures de couplage photonique en collaboration avec le CRHEA. Il s'agira également de développer des solutions de synchronisation temporelle pour les différents nœuds du réseau quantique, en collaboration avec les équipes de GEOAZUR. Enfin, il faudra assurer la co-propagation des signaux quantiques avec d'autres systèmes basés sur l'intrication déjà déployés.
 

Amélie Lam - Laboratoire Lagrange

Projet :  Data Driven Approach for protoplanetary Disks turbulence – cofinancé par le Centre national de la recherche scientifique (CNRS)

Bien qu’il soit généralement admis que les planètes se forment dans des disques protoplanétaires constitués de poussières et de gaz autour de jeunes étoiles, de nombreuses questions restent en suspens. Notamment, comment les particules de poussière se rassemblent-elles pour créer des corps solides ? Pour résoudre cette question, une très haute résolution spatiale est essentielle, nécessitant une puissance de calcul considérable qui peut être optimisée grâce à l’utilisation de l’IA, notamment pour les modélisations réalisées à petites échelles.
 

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Pour capturer les multiples échelles impliquées dans la formation des planétésimaux, ces petits corps solides qui croissent par accrétion pour devenir des planètes, des simulations numériques intensives sont requises. Ces simulations permettent de comprendre l’évolution des solides, de tailles submicrométriques à planétaires, dans un disque de gaz rotatif képlérien. Elles permettent aussi d’analyser la dynamique du gaz à petite échelle un aspect crucial car la durée de vie des disques dépend des mécanismes de transport influençant la dynamique à petite et à grande échelle.

Actuellement, deux approches principales et gourmandes en termes de ressources computationnelles sont employées pour étudier cette dynamique multi-échelle : les simulations numériques à grande échelle et la modélisation paramétrique des petites échelles.
Pour diminuer le coût computationnel, ce projet doctoral sera mené par Amélie Lam. Plus précisément, son travail de thèse prévoit de s’appuyer sur des outils d'intelligence artificielle pour modéliser les petites échelles. Des approches récentes basées sur l'apprentissage machine ont déjà montré des résultats prometteurs, comme l'utilisation de réseaux neuronaux convolutifs pour prédire les propriétés à petite échelle dans les disques protoplanétaires (Chan et al., 2024) ou d'algorithmes d'apprentissage symbolique pour modéliser les sous-mailles de turbulence (Li et al., 2021 ; Sandberg et Zhao, 2022).

À l'issue de ces travaux, une méthode accélérée par intelligence artificielle devrait être développée pour simuler la dynamique des fluides à petite échelle, adaptée aux besoins scientifiques spécifiques. Pour mener ce projet à la croisée de l'astrophysique, du traitement du signal, de la dynamique des fluides et de la simulation numérique haute performance, Amélie Lam sera co-encadrée. Héloïse Meheut, chercheuse CNRS en astrophysique, et André Ferrari, professeur à Université Côte d’Azur spécialisé dans le traitement des données statistiques et les problèmes inverses, tous deux affiliés au Laboratoire J.-L. Lagrange, co-encadreront la doctorante.

Gabriel Tomasini - Laboratoire Lagrange

Projet : Late stages of stellar evolution in binary systems - cofinancé par l'ANR PEPPER

La destruction des étoiles est un phénomène encore mal compris. Pourtant, comprendre les mécanismes physiques qui gouvernent les derniers stades d’évolution des étoiles massives est essentiel pour saisir l’enrichissement chimique de la Galaxie. Lors des derniers stades de l’évolution stellaire, les étoiles perdent de la masse et éjectent d'énormes quantités de gaz et de poussières dans le milieu interstellaire. Cette matière s’enrichit en atomes formés au cœur de l’étoile grâce aux réactions nucléaires. Cependant, les modèles actuels peinent à reproduire ces phénomènes avec précision, utilisant souvent des lois ad hoc.
 

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Des avancées récentes, comme le projet ANR PEPPER (dirigé par Andrea Chiavassa avec la participation d'Eric Lagadec) et le projet EXWINGS ERC (PI Hoefner, Uppsala, Suède), ont amélioré notre compréhension, notamment via des observations à haute résolution angulaire et des modélisations 3D de la convection stellaire. Ces recherches ont montré que les chocs provoquent la formation de poussières et que la pression de radiation déclenche la perte de masse. Cependant, l'impact de la binarité reste un point en suspens.

Une large majorité des étoiles massives passent au moins une partie de leur vie en couple (système binaire) et peuvent, selon les conditions, s'échanger de la matière au cours de diverses phases de leur évolution, et notamment lors leur fin de vie. Les interactions entre les étoiles (ou les compagnons) jouent donc un rôle crucial en sculptant les vents stellaires et parfois en provoquant des transferts de matière. Ces interactions affectent la quantité et la composition de la matière rejetée, influençant ainsi l’enrichissement chimique du milieu interstellaire. Ainsi, selon le moment et la manière dont la matière est expulsée, l’enrichissement chimique du milieu interstellaire sera différent.

Pour tracer l’histoire de la perte de masse d’étoiles évoluées dans des systèmes binaires, le doctorant Gabriel Tomasini, utilisera des techniques d’imagerie à haute résolution angulaire, combinées à des simulations hydrodynamiques 3D. Un modèle de transfert radiatif sera employé pour analyser la distribution, la densité et la composition des gaz et des poussières pour explorer comment les interactions stellaires affectent la perte de masse.

Pour son travail, il s’appuiera sur les meilleures observations et modèles disponibles. Cela inclut les observations ALMA, qui cartographieront la dynamique du gaz, ainsi que des observations garanties par SPHERE/VLT. De plus, de nombreuses observations multi-longueurs d'onde (polarisation visible et infrarouge) obtenues par l'instrument SPHERE/VLT sont disponibles et seront réduites et analysées par ses soins.

Pour son projet de recherche doctoral, Gabriel Tomasini travaillera avec Andrea Chiavassa du Laboratoire Lagrange, expert en ambiances 3D des étoiles évoluées, et Ileyk El Mellah de l’Institut de Planétologie et d’Astrophysique (IPAG), spécialiste en hydrodynamique 3D. Pour soutenir ces recherches visant à intégrer l'impact de la binarité sur la perte de masse des étoiles évoluées, des fonds de Graduate School Spectrum et du projet ANR PEPPER seront mobilisés pour permettre le financement du contrat doctoral de Gabriel Tomasini.

Corentin Morin - CRHEA

Projet : Quantum simulation of lattice Supersolids with spatially Indirect eXcitons (QuaSIX) – financé via le projet QuanteDuFrance porté par l’Institut Quantazur

Ce projet de recherche se concentre sur les simulations quantiques des Hamiltoniens de Bose-Hubbard, un modèle fondamental en physique de la matière condensée. Ce modèle décrit le comportement des bosons, des particules quantiques, dans un réseau périodique (ionique lumineux…), en tenant compte des interactions fortes entre ces particules. Il est utilisé pour explorer divers phénomènes complexes dans les systèmes de matière condensée et les gaz quantiques. L’objectif ici est de démontrer comment la supersolidité peut être exploitée pour simuler efficacement le modèle de Bose-Hubbard afin d’approfondir la compréhension des phénomènes quantiques fondamentaux, mais aussi ouvrir la voie à des applications pratiques dans des réseaux atomiques.
 

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Le modèle de Bose-Hubbard est réputé pour sa difficulté, voire son impossibilité à être simulé de manière exacte. Cette complexité découle des interactions complexes et fortes entre bosons, difficiles à capturer, des états exotiques de la matière qu'il peut décrire (supersolides…), des défis liés à la discrétisation du réseau, et des limitations des méthodes de calcul disponible. Pour surmonter cette difficulté, le présent projet rassemble en sus de l’expertise du CHREA d’autres laboratoires en France et à l’international : le LPMMC à Grenoble, l’ISIS à Strabourg et le MEBL à Princeton University aux Etats-Unis pour répondre à la fois aux aspects expérimentaux et théoriques.

L’idée consiste à explorer de nouvelles propriétés physiques et de comprendre les comportements quantiques à l'échelle macroscopique. Pour y parvenir, le projet se concentrera sur la conception de solides quantiques bidimensionnels en utilisant des bosons dipolaires fortement corrélés dans des potentiels de réseau. Un exemple particulier de phase de l'hamiltonien BH étendu est la supersolidité, une phase complexe de la matière capable de présenter des comportements à la fois superfluide et solide et prometteuse pour tester et simuler le modèle de Bose-Hubbard.