Doctorant (H/F) – Étude théorique de la spectroscopie par diffraction atomique des matériaux bidimensio

Sujet de thèse :
Dans un article récent publié dans Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 135, 263403 (2025)) et mis en avant par les éditeurs de la revue pour son caractère particulièrement original (DOI : 10.1103/Physics.18.s166), nous avons développé une nouvelle technique spectroscopique permettant de sonder avec une très grande précision les interactions entre un atome et une surface.
Dans ce travail théorique et expérimental, un faisceau d’atomes d’hydrogène rapides est transmis à travers une feuille de graphène, matériau bidimensionnel constitué d’une unique couche d’atomes de carbone organisée selon un réseau hexagonal. Lors de leur traversée de cette membrane ultramince, ou plus précisément lors de la propagation de leurs ondes de matière, les atomes produisent des figures de diffraction, analogues aux motifs d’interférences observés lorsqu’une onde lumineuse traverse un réseau optique. Ces figures révèlent directement la qualité structurale du graphène, son très haut degré d’ordre cristallin et sa pureté, tout en fournissant des informations quantitatives sur les interactions entre les atomes d’hydrogène et la surface.
L’interprétation des résultats expérimentaux a nécessité une comparaison approfondie avec des calculs théoriques décrivant le potentiel d’interaction atome-surface. Seules les simulations de mécanique quantique les plus sophistiquées, fondées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), ont permis de reproduire quantitativement les observations expérimentales. Cet excellent accord met en évidence la très grande sensibilité de cette nouvelle méthode, capable de détecter des variations extrêmement faibles des interactions atome-surface. Au-delà de son intérêt fondamental, cette approche ouvre une nouvelle voie pour l'étude des matériaux à l'échelle atomique en utilisant des atomes neutres plutôt que des particules chargées telles que les électrons, avec l'avantage majeur de perturber très faiblement les systèmes étudiés.
Dans le prolongement de ces résultats, nous souhaitons, dans le cadre de cette thèse, développer les outils théoriques nécessaires à l'étude d'autres matériaux bidimensionnels isolants, en collaboration avec l'équipe expérimentale de Xavier Urbain (Université catholique de Louvain, Belgique) et Raj Sinha-Roy (Université Claude Bernard Lyon 1) sur les aspects théoriques et de simulations numériques. L'objectif sera d'analyser l'influence de la nature du matériau, et du projectile incident (autre que l’hydrogène) sur les motifs de diffraction, afin d'accéder avec une grande précision aux potentiels d'interaction atome-surface. Une attention particulière sera également portée aux processus inélastiques, qui seront étudiés à l'aide de méthodes de dynamique électronique fondées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendant du temps (TDDFT), ouvrant ainsi la voie à une description plus complète des mécanismes d'interaction entre atomes
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