Thèse Spectroscopies Électroniques Ultrarapides à Faisceau Divisé pour la Mesure de Transport de Cohérence dans des Circuits Photoniques Semi-Conducteurs H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Toulouse École doctorale : SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse Laboratoire de recherche : CEMES - Centre d'Elaboration de Matériaux et d'Etudes Structurales Direction de la thèse : Hugo LOURENCO-MARTINS ORCID 0000000339295742 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-06-22T23:59:59 Les circuits intégrés électroniques réalisent des calculs informatiques via des opérations physiques sur le un courant d'électron guidé dans une cascade d'éléments actifs ou passifs. Un circuit photonique n'est autre qu'un système analogue, où les électrons sont remplacés par de la lumière, les pistes électroniques par des guides d'onde et les différentes portes logiques par des éléments nano-photoniques ou plasmoniques. Une perspective intéressante de la photonique sur circuit est qu'elle permettrait à terme de réaliser des calculs informatiques quantiques, dans la mesure où, contrairement aux électrons dans les circuits, les photons guidés semblent assez robustes à la décohérence à température ambiante. Cette dernière déclaration reste néanmoins un sujet de recherche actif car les mécanismes de décohérence demeurent complexes à mesurer et modéliser théoriquement, et ainsi difficiles à contrôler à l'échelle d'un circuit. L'objectif de ce projet de thèse est d'étudier ces mécanismes de transport et conservation de cohérence dans des circuits photoniques.

Le projet de thèse est avant tout fondamental, et ne s'appuiera donc pas sur l'étude de circuits photoniques complexes et déjà fonctionnels. Au contraire, l'étudiant·e participera à la nano-fabrication de circuits photoniques élémentaires - basés sur des analogues de circuit électronique ou des milieux aléatoires - couplés à des nanolasers semi-conducteurs qui joueront le rôle de nano-sources de lumière cohérentes.

Le travail s'appuiera ensuite sur deux microscopes jumeaux du CEMES - l'I2TEM et IUMi - respectivement conçus et dédiés à l'holographie électronique et à la microscopie ultra-rapide. L'étudiant·e participera au développement de nouvelles techniques de mesures basées sur la division du faisceau d'électron - techniques généralement appelées « split-beam » - en deux sous-faisceaux individuellement contrôlables. Ces techniques, qui constituent l'équivalent en microscopie électronique d'un interféromètre de Mach-Zehnder, permettront de mesurer les propriétés de transport des circuits photoniques aux échelles nanométrique (spatiale) et picoseconde (temporelle).

L'objectif ultime du projet est la mise en oeuvre d'expériences d'optique quantique intégrées in situ, i.e. réalisées et observées directement dans un microscope électronique via les techniques de split-beam précédemment développées. Différentes expériences sont envisagées comme des nano-interféromètres de Mach-Zehnder et de Hong-Ou-Mandel, ou encore des nano-planches de Galton. Les circuits intégrés électroniques réalisent des calculs informatiques via des opérations physiques sur le un courant d'électron guidé dans une cascade d'éléments actifs ou passifs. Un circuit photonique n'est autre qu'un système analogue, où les électrons sont remplacés par de la lumière, les pistes électroniques par des guides d'onde et les différentes portes logiques par des éléments nano-photoniques ou plasmoniques. Une perspective intéressante de la photonique sur circuit est qu'elle permettrait à terme de réaliser des calculs informatiques quantiques, dans la mesure où, contrairement aux électrons dans les circuits, les photons guidés semblent assez robustes à la décohérence à température ambiante. Cette dernière déclaration reste néanmoins un sujet de recherche actif car les mécanismes de décohérence demeurent complexes à mesurer et modéliser théoriquement, et ainsi difficiles à contrôler à l'échelle d'un circuit. L'objectif de ce projet de thèse est d'étudier ces mécanismes de transport et conservation de cohérence dans des circuits photoniques.

microscopie électronique en transmission (conventionnel et ultra-rapide), lasers ultracourts, nano-fabrication, modélisation numériques (nanoBEM, QuTIP), développements théoriques