Thèse Excitronique Quantique Excitation d'Excitons Uniques dans des Matériaux de Type Tmd par l'Intermédiaire d'Émetteurs de Photons Uniques dans des Nanoparticules de Diamant 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 : Aurélien CUCHE ORCID 0000000218519578
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

Afin de relever les défis futurs en matière de communication et de traitement des données, l'optique intégrée et, en particulier, la nanophotonique offrent une intégration profonde à l'échelle nanométrique et constituent une approche prometteuse susceptible de mener à des technologies disruptives.

Dans ce contexte, les monocouches de dichalcogénures de métaux de transition (TMD) ont attiré une attention particulière en raison de leurs propriétés optoélectroniques uniques. Ces matériaux présentent des excitons stables (une particule neutre composée d'un électron et d'un trou) qui se propagent dans le matériau. Le phénomène de diffusion d'un exciton unique dans les matériaux 2D, à la fois d'un point de vue fondamental et appliqué, est crucial pour les applications en technologies quantiques. Comprendre et contrôler la propagation des excitons permet d'optimiser la conception des matériaux et des nanostructures, tout en repoussant les limites de l'intégration à l'échelle nanométrique. Cependant, les futurs dispositifs basés sur les excitons nécessitent un contrôle précis de la génération et de la manipulation des excitons individuels. Pour une mise en oeuvre pratique, les défis persistants incluent :

- Le contrôle précis de leur génération (excitation optique par photon unique).
- La manipulation de leur état quantique (cohérence, spin, vallée).
- La détection ultra-sensible de leur réponse optique.

Dans le cadre de ce projet de thèse, nous proposons une approche innovante pour atteindre ce contrôle, en utilisant des centres colorés émetteurs de photons uniques dans des nanoparticules de diamant comme source intermédiaire pour la génération d'excitons uniques. Une stratégie possible consistera à exploiter des sources de photons uniques basées sur des centres colorés dans des nanodiamants (ND-NV), couplés à des nanofils de silicium, afin d'exciter de manière déterministe des excitons dans les TMD. Cette méthode dissocie la génération des photons, leur propagation et l'excitation des excitons, ouvrant la voie à des dispositifs quantiques intégrés et reconfigurables à base de silicium.

Cette thèse offre une opportunité passionnante de s'engager dans une recherche de pointe à l'intersection des technologies quantiques, des nanomatériaux et de l'optoélectronique. En travaillant sur l'excitation d'excitons uniques dans les matériaux TMD à l'aide de sources de photons uniques, l'étudiant(e) contribuera au développement de dispositifs quantiques de prochaine génération et acquerra une expérience pratique précieuse en physique expérimentale et en nanotechnologie.

Les principaux objectifs de cette thèse sont :

- Développement d'une plateforme expérimentale pour la génération et l'étude des excitons uniques - Optimisation du couplage entre les ND-NV (sources de photons uniques) et les TMD via des nanofils de silicium. Cela inclut :
La caractérisation optique de nanoparticules de diamant à centres colorés (NV - Nitrogen Vacancy) déjà couplés à des nanofils de silicium.
Le dépôt contrôlé et successif de TMD sur le même échantillon.
La fabrication de nouveaux échantillons de nanofils de silicium (via lithographie par faisceau d'électrons) et le dépôt consécutif d'une monocouche de TMD (plateforme ExfoLab).

- Caractérisation optique de l'excitation des excitons :
Analyse des espèces excitoniques (excitons brillants/sombres, biexcitons, trions) et de leur dynamique respective dans les TMD.
Étude des mécanismes d'excitation d'excitons uniques dans les matériaux TMD à l'aide de photons uniques émis par les nanoparticules de diamant, en réalisant des caractérisations optiques à basse température (4 K - permettant de supprimer les effets thermiques et d'améliorer la résolution dans la détection de l'état excitonique) :
Photoluminescence, mesures résolues en temps, imagerie du plan de Fourier, mesures de corrélation.
Analyse du comportement des excitons uniques dans les matériaux TMD.

- Analyse des résultats :
Analyse détaillée et comparaison des propriétés optiques des matériaux TMD dans les régimes classique et quantique.
Les photons émis et le comportement excitonique résultant seront analysés à l'aide de diverses techniques, dont la spectroscopie, pour comprendre l'efficacité et la dynamique de génération des excitons.
Les résultats seront comparés à des simulations électrodynamiques (FDTD, GDM) afin d'optimiser le couplage photon-exciton, tandis que la diffusion d'un exciton unique sera modélisée numériquement à l'aide d'outils de simulation développés en interne.

- Intégration et démonstration :
Fabrication de dispositifs prototypes excitroniques et tests de fonctionnalité (interrupteur quantique, mémoire optique).

L'étudiant(e) sera impliqué(e) dans les aspects expérimentaux de la caractérisation optique de l'excitation optique des TMD (jusqu'à l'excitation par photon unique), ainsi que dans les aspects théoriques de ce couplage (simulation en électrodynamique).

Compétences requises pour la thèse :

- Formation : Master en physique (spécialisation en optique quantique, nanophotonique, science des matériaux de la matière condensée) ou équivalent.
- Autonomie, dynamisme, curiosité scientifique et rigueur sont les mots-clés pour mener à bien ce projet.
- Compréhension approfondie de l'optique et de la science des matériaux, en particulier sur les matériaux semi-conducteurs (TMD).
- Maîtrise du travail en laboratoire et de la programmation. Connaissances ou expérience en techniques de spectroscopie optique, notamment pour les mesures à basse température.