researchJobsDoctoral Researcher (m/f) – Theoretical Study of Atomic Diffraction Spectroscopy of Two-Dimensional Materials
Doctorant (H/F) – Étude théorique de la spectroscopie par diffraction atomique des matériaux bidimensionnels — Machine-translated title
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Subject of Thesis
In a recent article published in Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 135, 263403 (2025)) and put forward by the editors of the journal for its particularly original character (DOI: 10.1103/Physics.18.s166), we have developed a new spectroscopic technique to probe the interactions between an atom and a surface with great precision.
In this theoretical and experimental work, a beam of fast hydrogen atoms is transmitted through a graphene sheet, a two-dimensional material consisting of a single layer of carbon atoms organized according to a hexagonal network. When crossing this ultra-thin membrane, or more precisely when spreading their waves of matter, atoms produce diffraction figures, similar to the interference patterns observed when a light wave crosses an optical network. These figures directly reveal the structural quality of graphene, its very high degree of crystalline order and purity, while providing quantitative information on interactions between hydrogen atoms and the surface.
The interpretation of the experimental results required an in-depth comparison with theoretical calculations describing the potential for atom-surface interaction. Only the most sophisticated quantum mechanics simulations, based on density functional theory (DFT), made it possible to reproduce the experimental observations quantitatively. This excellent agreement highlights the very high sensitivity of this new method, capable of detecting extremely small variations in atom-surface interactions. Beyond its fundamental interest, this approach opens up a new path for the study of atomic-scale materials using neutral atoms rather than charged particles such as electrons, with the major advantage of very little disruption to the systems studied.
As a follow-up to these results, we wish, within the framework of this thesis, to develop the theoretical tools necessary for the study of other two-dimensional insulating materials, in collaboration with the experimental team of Xavier Urbain (Catholic University of Leuven, Belgium) and Raj Sinha-Roy (Université Claude Bernard Lyon 1) on theoretical aspects and numerical simulations. The objective will be to analyse the influence of the nature of the material, and of the incident projectile (other than hydrogen) on the diffraction patterns, in order to access with great precision the potentials of interaction atom-surface. Particular attention will also be paid to inelastic processes, which will be studied using electronic dynamics methods based on time-dependent density functional theory (TDDFT), thus paving the way for a more complete description of the mechanisms of interaction between fast atoms and two-dimensional materials.
Your Working Environment
The thesis work will be carried out at the Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), within the Q-Dyno team (https://www.ipcms.unistra.fr/equipe/dynamique-quantique-theorique-dyno/) of the Department of Nonlinear Optics (DON). It will consist of developing theoretical models and implementing numerical simulations to predict diffraction properties and mechanisms of interaction between fast atoms and two-dimensional materials. Theoretical developments will be conducted in close collaboration with the experimental team of the Catholic University of Leuven in Belgium, guaranteeing a permanent exchange between model predictions and their experimental validation.
The IPCMS is located on the Cronenburg campus, easily accessible by public transport (tramway and bus) as well as by the Eurométropole cycling networks. The campus offers a pleasant working environment including a university restaurant and sports facilities.
Remuneration and benefits
Remuneration
The remuneration is a minimum of 2300,00 € monthly
Annual leave and TWU
44 days
Practice and compensation of TT
TT practice and compensation
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Support at 75% cost and sustainable mobility package up to 300€
About the offer
Supply Reference UMR7504-PAUHER-002 Section(s) CN / Research Area Condensed Matter Physics: Electronic and Quantum PropertiesAbout CNRS
The CNRS is a major player in fundamental research on a global scale. The CNRS is the only French organization active in all scientific fields. His unique position as a multi-specialist allows him to associate the different disciplines in order to face the most important challenges of the contemporary world, in connection with the actors of change.
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Description du Poste
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 rapides et matériaux bidimensionnels.
Votre Environnement de Travail
Le travail de thèse sera réalisé à l'Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg (IPCMS), au sein de l'équipe Q-Dyno (https://www.ipcms.unistra.fr/equipe/dynamique-quantique-theorique-dyno/) du Département d'Optique Nonlinéaire (DON). Il consistera à développer des modèles théoriques et à mettre en œuvre des simulations numériques afin de prédire les propriétés de diffraction et les mécanismes d'interaction entre atomes rapides et matériaux bidimensionnels. Les développements théoriques seront conduits en étroite collaboration avec l'équipe expérimentale de l'Université catholique de Louvain en Belgique, garantissant un échange permanent entre les prédictions du modèle et leur validation expérimentale.
L'IPCMS est situé sur le campus Cronenbourg, facilement accessible par les transports en commun (tramway et bus) ainsi que par les réseaux cyclables de l'Eurométropole. Le campus offre un environnement de travail agréable comprenant notamment un restaurant universitaire et des infrastructures sportives.
Rémunération et avantages
Rémunération
La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € mensuel
Congés et RTT annuels
44 jours
Pratique et Indemnisation du TT
Pratique et indemnisation du TT
Transport
Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€
À propos de l’offre
Référence de l’offre UMR7504-PAUHER-002 Section(s) CN / Domaine de recherche Physique de la matière condensée : propriétés électroniques et quantiquesÀ propos du CNRS
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