Thèse Étude de l'Interaction Matière-Lumière Structurée Role des Moments Angulaires de la Lumière et de la Chiralité Locale en Régime Attoseconde H/F - Université Paris-Saclay GS Physique

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : CEA/LIDYL - Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers
Direction de la thèse : Thierry RUCHON
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Les progrès récents de l'optique ultra-rapide et la maîtrise d'interactions lumière-matière extrêmement non linéaires permettent aujourd'hui de générer des impulsions lumineuses attosecondes (1 as = 10¹ s) via la génération d'harmoniques d'ordre élevé (GHOE). Ce processus convertit une impulsion laser femtoseconde en un rayonnement cohérent et ultrabref dans l'extrême ultraviolet (XUV, 10-150 eV). Ces sources uniques permettent d'accéder aux dynamiques électroniques à des échelles sub-femtosecondes et de sonder des transitions spécifiques à chaque élément, auparavant accessibles uniquement sur des installations comme les synchrotrons. Le groupe Attophysique du LIDYL, pionnier dans la génération, la caractérisation et l'utilisation d'impulsions attosecondes, a récemment développé des sources pilotées par des faisceaux portant un moment angulaire de spin (MAS) ou orbital (MAO), ouvrant la voie à l'étude de dynamiques chirales et magnétiques. En combinant ces avancées, cette thèse vise à synthétiser des champs lumineux dont la chiralité varie dans le temps et l'espace, en exploitant notamment la composante longitudinale du champ électrique. Trois régimes seront étudiés : linéaire (pompe-sonde XUV/IR), fortement non linéaire (champs structurés visibles-IR dans des milieux chiraux) et faiblement non linéaire (pompe IR/sonde XUV). Ces travaux ouvriront une nouvelle classe d'expériences en physique attoseconde, combinant exploration fondamentale et applications émergentes.
L'étudiant(e) acquerra une pratique de l'optique des lasers, en particulier femtoseconde, et des techniques de spectrométrie de particules chargées. Il (elle) étudiera également les processus de physique des champs forts sur lesquels se basent la génération d'harmonique élevées. Il/elle deviendra un(e) experte de la physique attoseconde. L'acquisition de techniques d'analyse approfondie, d'interfaçage d'expérience seront encouragées même si non indispensables.

Pour plus de détails: https://iramis.cea.fr/lidyl/pisp/150720-2/

La physique attoseconde a pris son essor au tournant des années 2000. Nous assistons depuis à un développement exponentiel de ses champs d'applications. Dans ce contexte, notre laboratoire, qui a été pionnier dans le domaine, explore simultanément deux voies. La première, est l'utilisation de sources attosecondes standards, de plus en plus fiables, précises et intégrées, pour des applications en physique atomique, moléculaire et physique de l'état condensé. C'est le rôle des partenariats noués avec des experts de ces domaines dans le cadre de notre équipement principal, ATTOLab. Les lignes de lumière d'ATTOLab, progressivement ouvertes en 2018-2019, servent une communauté de plus en plus large, plaçant le LIDYL à un carrefour des physiciens et physico-chimistes sondant les dynamiques électroniques dans l'XUV. Nous recevons ainsi des collaborateurs nationaux et internationaux en continu dans le cadre des appels à projets du PEPR LUMA et du programme Laser4EU. La deuxième voie d'étude intégrée à ATTOLab vise à approfondir notre connaissance des mécanismes hautement non linéaires à la base de la synthèse d'impulsions attosecondes. Ces études, ont d'abord un intérêt fondamental. Cependant, elles préparent aussi les futures générations de sources attosecondes qui viendront enrichir ATTOLab. L'étudiant(e) sera donc amené(e) à interagir avec de nombreux scientifiques d'horizons variés, tout en développant sa thématique propre au sein d'une équipe dynamique formée d'environ 20 personnes, dont les deux tiers d'étudiants et chercheurs post-doctorants.

Objectif 1 : Dichroïsme hélicoïdal en régime linéaire attoseconde
Par des travaux théoriques , soutenus par des expériences menées au laser à électrons libres FERMI en Italie, nous avons récemment montré le potentiel des faisceaux portant un moment angulaire orbital, c'est-à-dire ayant un front d'onde hélicoïdal, pour identifier le sens de rotation (le « moment torique ») d'une structure magnétique enroulée en vortex [FBV+21, FPP+22, FPS+25]. Nous avons également montré comment la réflexion sur une structure magnétique pouvait contrôler le moment angulaire orbital [LFC+25]. Les études expérimentales ont pour l'instant été réduites à deux semaines d'expérience, le temps d'accès à FERMI étant très limité. Le premier objectif de ce projet de thèse est de développer les outils expérimentaux nécessaires pour mener ces expériences sur une source attoseconde pilotée par un laser femtoseconde. En particulier il s'agira de qualifier un dispositif de focalisation forte des harmoniques, dont les performances sont prévues au-delà de l'état de l'art actuel. Ce projet sera l'occasion de tester de nouvelles combinaisons de champs laser structurés permettant de générer des harmoniques d'ordre élevé. L'ambition est de créer une impulsion attoseconde portant, à l'inverse des sources actuelles, un moment angulaire orbital unique et facilement réversible. Par ses qualités et sa disponibilité, elle sera particulièrement adaptée à des études approfondies du dichroïsme hélicoïdal et de ses dynamiques femtoseconde, voir attoseconde.
Objectif 2 : Rôle des champs longitudinaux en optique extrêmement non linéaire.
Les progrès récents de l'étude des faisceaux structurés, et en particulier, l'intérêt grandissant porté aux champs longitudinaux associés aux faisceaux fortement focalisés, ouvre un nouveau domaine de l'optique. Les notions de polarisation ou de moment angulaire orbital, définis comme des valeurs moyennes d'observables macroscopiques ne sont plus pertinentes. Il faut au contraire considérer un champ tridimensionnel, inhomogène spatialement, évoluant dans le temps. Le champ peut alors présenter une chiralité locale, qui varie éventuellement dans le temps à l'échelle du cycle optique. Des prédictions théoriques montrent qu'en optique extrêmement non linéaire, comme par exemple la GHOE, des signatures de la symétrie chirale d'un échantillon devraient se manifester lorsque des harmoniques générées par un tel champ sont analysées. Un ingrédient essentiel à la synthèse de ces champs est la superposition de plusieurs faisceaux élémentaires harmoniques ( et 2 en général), portant des MAO et MAS adaptés. Notre expérience avec ces champs [VLG+23, LVG+23] sera ici étendue pour trouver des signatures chirales spécifiques. Les prévisions théoriques laissent entrevoir des perspectives d'applications innombrables, le nombre de degrés de liberté sur les champs passant d'un degré unique (la longueur d'onde), à de multiples paramètres. D'autre part le signal est attendu relativement intense, puisqu'obtenu dans l'approximation dipolaire électrique. Nous explorerons en détail ces possibilités pour offrir un panorama le plus complet possible des perspectives ouvertes.
Objectif 3 : Faisceaux de Poincaré et super-résolution
Par des combinaisons contrôlées de faisceau portant un MAO et un MAS, il est aujourd'hui possible de générer, dans un même faisceau, tous les états de polarisation possibles. Ces faisceaux, dits de Poincaré car ils couvrent toute la sphère de Poincaré utilisée pour représenter un état de polarisation, cherchent encore leur application. De façon décorrélée, les faisceaux portant un MAO sont très largement utilisés pour la microscopie STED (Stimulated Emission Depletion). Les faisceaux MAO, en raison de leur front d'onde hélicoïdal, n'ont pas de phase définie au centre, ce qui s'accompagne par un zéro d'intensité. Ils ont donc un profil d'intensité en donut, qui est utilisé en microscopie STED pour saturer un échantillon, à l'exception de son centre, extrêmement petit. Ce centre peut ensuite être sondé par un deuxième faisceau, avec une résolution spatiale excellente, en deçà de la taille du faisceau sur l'échantillon. Nous proposons ici d'élargir cette approche en stimulant, par un faisceau de Poincaré, un effet faiblement non linéaire (ordre de non linéarité de 2 ou 3) sensible à la polarisation. La première situation envisagée est l'utilisation de l'effet Faraday Inverse, par lequel l'aimantation d'un milieu peut être inversé par un faisceau polarisé circulairement ou elliptiquement. Cet effet, au potentiel important pour l'électronique du futur, n'a pas d'explication consensuelle actuellement, justifiant de nouvelles études par des techniques novatrices. En induisant l'effet Faraday inverse par un faisceau de Poincaré visible ultrabref, nous pourrons étudier la propagation du renversement d'aimantation à des échelles de temps et d'espace inaccessibles actuellement par un deuxième faisceau de sonde XUV. L'objectif est de fournir à la communauté du magnétisme ultrarapide une nouvelle fenêtre sur les dynamiques à l'oeuvre. Cette partie de la thèse, plus risquée que les précédentes, sera abordée dans un deuxième temps. Cependant elle ouvrira des perspectives s'étendant à d'autres effets non linéaires dépendant de la polarisation.

Master 2 avec une composante en optique. Le profil recherché est avant tout celui d'un experimentateur. De solides capacités en traitement numérique et/ou controle d'experiences par ordinateur seraient un plus.