Thèse Développement de Spectres Raman Théoriques avec Application aux Minéraux de la Surface de Mars H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : CEA/LMCE - Laboratoire Matière sous conditions extrêmes - DAM Direction de la thèse : Marc TORRENT ORCID 0000000341713165 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-01T23:59:59 À mesure que nous repoussons les frontières de l'exploration spatiale avec de nouvelles missions vers les planètes voisines, il devient essentiel d'améliorer nos outils d'investigation. Les rovers martiens ont révélé une minéralogie de surface sans équivalent sur Terre, façonnée par une ancienne hydrosphère suivie d'un long épisode de conditions froides et arides. Il a été montré que se sont formés des perchlorates ou des phases vitreuses mixtes silicates-sels - des minéraux difficiles à synthétiser et à stabiliser sur Terre, mais qui demeurent étonnamment stables sur Mars. Les données récentes de spectrométrie Raman confirment leur présence et ouvrent la voie à des recherches approfondies. Comprendre ces minéraux pourrait offrir de nouvelles perspectives sur la chimie martienne et l'évolution planétaire.
Nous cherchons ici à calculer les spectres Raman théoriques des perchlorates et d'autres minéraux martiens à l'aide de la théorie de la perturbation de la fonctionnelle de la densité (DFPT), telle qu'elle est implémentée dans le logiciel ABINIT. L'objectif est d'obtenir non seulement la position et l'intensité des pics, mais aussi et surtout leur largeur. Ces données sont nécessaires pour distinguer correctement des spectres similaires et pour estimer, par intégration, l'intensité réelle des pics, directement comparable aux valeurs expérimentales mesurées sur le terrain. Cela permet d'identifier les pics représentatifs utilisables pour la reconnaissance des minéraux et d'analyser les modes de déplacement associés aux vibrations. Les résultats de nos simulations seront comparés et interprétés à la lumière des mesures effectuées par les rovers actuellement présents à la surface de Mars.
Pour cela, nous devons implémenter plusieurs dérivées d'ordre trois et quatre de l'énergie. Cette implémentation prendra la forme d'une série de termes DFPT, où les perturbations pourront être des déplacements atomiques ou des champs électriques. Nous utiliserons une combinaison du théorème du (2n+1) et de différences finies. Le tout sera réalisé dans le cadre de l'approche 'Projector Augmented-Wave' (PAW) en DFT. L'ensemble du développement sera intégré dans le logiciel ABINIT et mis à la disposition de toute la communauté. ABINIT (www.abinit.org) est un projet collaboratif international à grande visibilité, dédié aux simulations ab initio basées sur la DFT et la DFPT. Les spectres calculés seront mis à disposition de la communauté via la base de données WURM.
Le candidat retenu sera co-encadré entre les groupes de l'IPGP (Paris) et du CEA (Bruyères-le-Châtel, au sud de Paris). L'IPGP est un institut de recherche en géosciences de renommée mondiale, fondé en 1921, associé au CNRS, composante de l'Université Paris Cité, et employant plus de 500 personnes. Le groupe dirigé par Razvan Caracas est très actif dans la minéralogie computationnelle, l'étude de la matière dans des conditions extrêmes et la planétologie. Le groupe de simulation quantique de la matière du CEA Bruyères-le-Châtel, coordonné par Marc Torrent, est l'un des principaux groupe de développement du logiciel ABINIT, et particulièrement actif dans la théorie de la fonctionnelle de la densité, l'approche PAW et le calcul haute performance. Cette thèse se déroulera dans le cadre d'une collaboration (active) entre le CEA de Bruyères-le-Chatel et l'Institut de Physique du Globe de Paris. De précédentes thèses ont déjà été encadrées par ce binôme.
Nous nous intéressons ici au calcul de spectres Raman théoriques, pour les applications au CEA d'un côté, et pour la détermination de spectres de minéraux d'intérêt géophysique, de l'autre côté. Le partenariat est donc fructueux car chaque groupe apporte sa spécificité.
Depuis quelques années déjà, nous savons calculer la position et la hauteur des pics des spectres Raman, à la l'aide la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité (DFT) et de sa version 'perturbée' (DFPT). Il s'agit maintenant de pouvoir calculer la largeur des pics, ce qui donnera accès aux compositions chimiques des matériaux. Il s'agit de développer un formalisme théorique assez poussé, puisqu'il fait appel aux dérivées d'ordre 3 et 4 de l'énergie du système d'électrons et de noyaux. - Implémenter un formalisme théorique précis de calcul des spectres Raman, basée sur la physique quantique et permettant d'obtenir toutes les caractérisitques des spectres (pics, hauteur, largeur)
- Réaliser des calculs sur des minéraux de la surface martienne Théorie de la Perturbation de la Fonctionnelle de la Densité

Compétences en programmation dans des langages de haut niveau comme Python, et en C++ ou Fortran, ainsi que de solides connaissances en physique et chimie de la matière condensée, incluant la théorie de la fonctionnelle de densité.