Vers des microplasmas chauds : confinement et contrôle à l'aide de dispositifs multipolaires

Mots clés

Microplasmas chauds, Confinement multipolaire, Contrôle actif

Détail de l'offre

Ce projet de thèse constitue la première pierre d'un programme de recherche ambitieux financé par l'Agence nationale de la recherche (ANR), doté d'un budget total de 517 k€. L'objectif général est d'ouvrir une nouvelle frontière scientifique : l'étude de plasmas confinés dans des dispositifs de l'ordre du micromètre, à des températures pouvant atteindre 1 à 10 eV, voire au-delà.
À ce jour, les microplasmas ont surtout été explorés dans le régime basse température (< 1 eV) pour des applications telles que le traitement de surface, la micro-électronique ou la microfluidique. La possibilité de créer et de contrôler des microplasmas chauds constituerait une avancée majeure, permettant à la fois des études fondamentales de la dynamique de plasmas fortement confinés et de nouvelles applications haute performance : micro-sources de lumière ou de chaleur, sources d'ions miniaturisées, diagnostics avancés, formes inédites de spectroscopie, etc.

Objectifs scientifiques :
Cette thèse vise à répondre à une question fondamentale : comment piéger et chauffer un plasma à l'intérieur d'un micro-dispositif, et jusqu'à quelle température ? L'hypothèse de travail est que des pièges multipolaires radiofréquence (RF), dérivés des technologies de piégeage d'ions et de spectrométrie de masse, peuvent être conçus pour confiner des plasmas denses et chauds à l'aide de champs électriques purs.

Le mécanisme physique clé est la force pondéromotrice, générée par des champs électriques oscillants et capable de piéger à la fois ions et électrons. À l'échelle micrométrique, cette force s'avère particulièrement favorable : plus le système est petit, plus le confinement est fort pour des tensions et des fréquences modérées. Le comportement du plasma dans ces dispositifs combine effets cinétiques, dynamiques collectives et interactions avec les parois solides – un régime encore inexploré, intermédiaire entre les microplasmas classiques de basse température et les grands dispositifs de fusion.

Défis et méthodes :
- Simuler et comprendre la dynamique de piégeage des particules chargées dans des champs électriques de haute fréquence.
- Explorer le rôle des interactions coulombiennes, des effets de charge d'espace et de la formation de gaine à petite échelle et haute température.
- Étudier les seuils d'instabilité, la suppression de la turbulence et la transition fluide–cinétique dans les microplasmas confinés.
- Évaluer les pertes de puissance, le temps de confinement et les températures atteignables sous contraintes matérielles et d'ingénierie réalistes.

Le projet combinera modélisation numérique (approches fluide et cinétique) et retours d'expérience sur des architectures de dispositifs réels afin d'évaluer la faisabilité et les limites du chauffage et du confinement des microplasmas.

Perspective à long terme :
Cette recherche ouvre également une voie, spéculative mais stimulante, vers des concepts de fusion à l'échelle microscopique : si des températures de plusieurs keV et un confinement suffisant peuvent être atteints, des réactions de fusion pourraient en principe se produire dans des microréacteurs sur puce, parallélisés à grande échelle – un paradigme radicalement différent des dispositifs actuels.

Contexte de travail :
Le·la doctorant·e sera accueilli·e à l'Institut Jean Lamour (IJL) – campus ARTEM – sous la direction de Maxime Lesur, en étroite collaboration avec le Laboratory for Integrated Micro Mechatronic Systems de l'Université de Tokyo. Le parcours doctoral comprendra très vraisemblablement plusieurs séjours à Tokyo, d'une durée minimale de quelques semaines chacun.