Modèles génératifs de métasurfaces et métamatériaux morphogénétiques

Generative models of morphogenetic metasurfaces and metamaterials

• Auteur / Autrice : Emebet Woldu Hadgu
• Direction : Thomas Fromenteze, Cyril Decroze
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences et ingénierie pour l'information
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2025
• Etablissement(s) : Limoges
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences et Ingénierie
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : XLIM
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : XLIM SRF - Systèmes Radio-Fréquences

Mots clés

Mots clés libres

Métamatériaux

Bio-inspiration

Metasurfaces

Bio-inspiration

Metamaterials

Metasurfaces

Résumé

Cette thèse s'inscrit dans le prolongement d'un stage de master, mené au sein de l'équipe 'Antennes et signaux – axe systèmes RF' du laboratoire Xlim (Université de Limoges). Elle vise à développer une nouvelle approche de conception de matériaux et surfaces électromagnétiques fondée sur un modèle génératif inspiré de la morphogenèse, c'est-à-dire des processus d'auto-structuration observés dans les systèmes biologiques. Contrairement aux méthodes classiques reposant sur l'arrangement périodique de méta-atomes, cette approche originale permet la génération spontanée de structures 2D ou 3D sans contrainte de régularité. Le modèle développé permet non seulement la création de motifs auto-dupliqués, mais aussi le contrôle fin de l'anisotropie locale en orientant les structures selon des directions privilégiées. Cette méthode ouvre la voie à la synthèse de métamatériaux tridimensionnels anisotropes, ainsi que de métasurfaces rayonnantes à très haut degré de liberté en polarisation, directivité, ou configuration spatiale du champ. La thèse comprendra (i) une exploration théorique approfondie du comportement électromagnétique des matériaux générés morphogénétiquement, (ii) la mise en œuvre de simulations (CST, HFSS) pour extraire leurs paramètres effectifs, (iii) la réalisation de prototypes par fabrication additive, et (iv) leur caractérisation expérimentale. Deux axes d'application seront étudiés en parallèle : le développement de métamatériaux anisotropes 3D pour la transformation contrôlée des champs incidents, et la conception de métasurfaces rayonnantes innovantes pour les télécommunications (terrestres ou spatiales) et l'imagerie. Encadrée par une équipe expérimentée comprenant deux doctorantes avancées et un post-doctorant, cette thèse offrira un cadre stimulant, avec pour objectif la publication régulière des résultats dans des revues internationales de haut niveau.

This PhD thesis builds upon a Master's internships conducted within the 'Antennas and Signals – RF Systems' group at the Xlim laboratory (University of Limoges). The research focuses on an emerging technique for generating complex electromagnetic media—both volumetric (metamaterials) and planar (metasurfaces)—using a morphogenetic model inspired by the self-structuring processes found in biological systems. Unlike conventional methods that rely on periodic arrangements of subwavelength meta-atoms, the morphogenetic approach allows for the autonomous emergence of spatial patterns without symmetry or regularity constraints. This generative model supports both isotropic and anisotropic material synthesis by steering structural growth along locally privileged directions. As a result, it enables fine control over local electromagnetic properties and facilitates the design of devices with advanced field manipulation capabilities. The thesis will explore two main directions: (i) the morphogenetic synthesis of 3D anisotropic metamaterials for the controlled transformation of incident electromagnetic fields; and (ii) the design of radiating metasurfaces offering enhanced control over beam direction, polarization, and radiation patterns. Tasks will include the implementation and adaptation of morphogenetic models, electromagnetic simulations using commercial solvers (e.g., CST, HFSS), extraction of effective parameters, and the fabrication of experimental prototypes via additive manufacturing. Measurements will be performed to validate the simulated properties and to inform the iterative refinement of the generative algorithms. This research follows prior work published by the team in ACS Photonics and Nature Communications, demonstrating the viability of morphogenetic methods for electromagnetic design. The proposed thesis will extend these results to 3D volumetric media and broaden the range of applications in telecommunications and imaging. The candidate will work within a multidisciplinary team, under the supervision of Thomas Fromentèze, with the support of two current PhD students and a postdoctoral researcher. The goal is to produce high-impact scientific contributions and lay the groundwork for future research in self-structured electromagnetic systems.