Description du sujet de thèse

Sujet expérimental multi-disciplinaire (optique, nanofabrication et simulations numériques) propose de concevoir et réaliser des composants logiques plasmoniques et d'en étudier les propriétés optiques. La thèse comportera trois parties: (i) la nanofabrication par lithographie électronique et gravure par faisceau d'ions focalisés (FIB) de nanostructures plasmoniques à partir de mésocristaux 2D d'or; (ii) la caractérisation optoélectronique du comportement plasmonique non-linéaire et du fonctionnement booléen des portes logiques reconfigurables à complexité croissante; (iii) la simulation des phénomènes observés par la méthode des fonctions de Green en utilisant des codes existants.
Une nouvelle classe de composants fonctionnels, intégrés et ultracompacts exploitent les propriétés opto-électroniques des métaux nobles comme l'or ou l'argent. Le confinement et le guidage de la lumière à des dimensions nanométriques inférieures à la longueur d'onde grâce aux plasmons offrent un moyen de développer de nouvelles approches du transfert et du traitement de l'information par voie "tout optique". Notre équipe a démontré la faisabilité des premiers calculateurs appelés unités arithmétiques et logiques (ALU, Fig. 1) dont nous souhaitons désormais augmenter les performances vers de véritables processeurs.1-3
Ce projet de thèse s'inscrit dans le cadre du projet ANR DALHAI en collaboration avec CIAD Dijon, expert en intelligence artificielle, avec lequel nous concevrons les ALU qui seront réalisées et étudiées expérimentalement et numériquement à l'ICB. Un atout majeur des composants plasmoniques est la possibilité de moduler électriquement leur réponse optique locale ce qui permettra d'explorer une étape supplémentaire d'intégration et de reconfigurabilité à haute fréquence.4 L'objectif principal de cette thèse est de démontrer, opérer et décrire numériquement l'équivalent d'un additionneur complet 2x2 bits puis de concevoir des processeurs de complexité supérieure. Un second objectif est la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans la modulation électro-optique de la réponse des ALU.4,5
Le/la candidat/e préparera les échantillons d'or cristallins à partir de suspensions colloïdales puis réalisera les étapes de lithographie/gravure par deux voies complémentaires mises en place dans les plateformes ARCEN (ICB, Dijon) et MIMENTO (Femto-ST, Besançon). La réponse optique des composants sera caractérisée sur un banc d'optique non-linéaire dédié permettant une excitation multi-faisceaux des ALU ainsi que leur adressage électrique en vue de reconfigurer et moduler (f ~ 1-100 kHz) la réponse booléenne des portes logiques et calculateurs plasmoniques modaux.
Un formalisme de Green existant sera utilisé pour simuler et interpréter les images optiques expérimentales.
Enfin, tout au long de la thèse, le/la candidate participera à la conception assistée par intelligence artificielle hybride des ALU à fonction booléenne complexe.
Pré-requis: Une maitrise théorique en nano/optique et une excellente maitrise expérimentale du développement et de l'interfaçage (LabView) de bancs optiques expérimentaux et microscopie sont exigées. Des connaissances des méthodes de nanofabrication et un niveau d'anglais écrit/parlé C1 sont souhaités. Une maîtrise du langage Python sera appréciée.
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1 - S. Viarbitskaya, A. Teulle, R. Marty, J. Sharma, C. Girard, A. Arbouet, E. Dujardin, Nature Materials, 12, 426 (2013).
2 - U. Kumar, G. Colas des Francs, A. Bouhelier, E. Dujardin, et al. ACS Photonics, 5, 2328-2335 (2018).
3 - U. Kumar, A. Cuche, C. Girard, S. Viarbitskaya, F. Dell'Ova, R. Al Rafrafin, G. Colas des Francs, S. Bolisetty, R. Mezzenga, A. Bouhelier, E. Dujardin
ACS Nano, 15, 13351-13359 (2021).
4 - A. V. Uskov, J. B. Khurgin, M. Buret, A. Bouhelier, I. V. Smetanin, and I. E. Protsenko, ACS Photonics, 4, 1501-1505 (2017).
5 - K. Malchow and A. Bouhelier, J. Opt. Soc. Am. B, 38, 576 (2021).

Missions

Developpement d'un banc optique multi excitation
Mesures optiques non-lineaires et modulation électrique
Traitement des données, rédaction de rapport et articles, participations aux reunions de consortium et conferences.
Utilisation de codes de simulations nanooptiques.

Activités

Le/la candidat/e caractérisera des ALU sur un banc d'optique non-linéaire dédié permettant une excitation multi-faisceaux ainsi que leur adressage électrique en vue de reconfigurer et moduler (f ~ 1-100 kHz) la réponse booléenne des calculateurs plasmoniques modaux.
Une analyse approfondie des mesures sera exigée, si besoin avec l'aide du formalisme de Green et de codes existants permettant de simuler et interpréter les images optiques expérimentales.
Enfin, le/la candidate participera à la conception des évolutions du banc optique capables d'accommoder 4 faisceaux d'excitation tout en contrôlant leurs polarisation et phase relative pour tester des ALU à fonction booléenne complexe.

Compétences

Pré-requis: Une excellente maitrise expérimentale du développement et de l'interfaçage (C#) de bancs optiques expérimentaux et microscopie sont exigées. Des connaissances approfondies en analyse de données et un niveau d'anglais écrit/parlé C1 sont demandées. Une maîtrise du langage Python sera appréciée.

Contexte de travail

Ce projet post-doctoral se déroulera au sein du département Photonique de l'ICB, dans l'équipe PRISM (https://icb.u-bourgogne.fr/en/near-field-optics/) dont les thématiques principales sont : Physique des milieux sub-lambda; Nanophotonique nonlinéaire; Composants nanophotoniques et plasmoniques; Circuiterie nanophotonique et plasmonique; Nanosources optiques intégrées; Plasmonique quantique.
Ce poste bénéficiera d'un environnement expérimental d'excellence tant en optique qu'en nanofabrication et en simulation.
Il sera co-encadré par Erik Dujardin (http://scholar.google.fr/citations?user=502SHhMAAAAJ) et par Alexandre Bouhelier (https://icb.u-bourgogne.fr/equipe/alexandre-bouhelier/)
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Ce sujet expérimental (photoluminescence non linéaire, nanofabrication et analyses de données) de stage post-doctoral propose d'étudier les propriétés optiques non linéaires de composants logiques plasmoniques. Le projet consistera à caractériser le comportement plasmonique non-linéaire et le fonctionnement booléen des portes logiques reconfigurables conçues par intelligence artificielles et à analyser en détail les phénomènes, y compris par la méthode des fonctions de Green en utilisant des codes existants.
Une nouvelle classe de composants fonctionnels, intégrés et ultracompacts exploitent les propriétés opto-électroniques des métaux nobles comme l'or ou l'argent. Le confinement et le guidage de la lumière à des dimensions nanométriques inférieures à la longueur d'onde grâce aux plasmons offrent un moyen de développer de nouvelles approches du transfert et du traitement de l'information par voie "tout optique". Notre équipe a démontré la faisabilité des premiers calculateurs appelés unités arithmétiques et logiques (ALU, Fig. 1) dont nous souhaitons désormais augmenter les performances vers de véritables processeurs.1-4
Ce post-doctorat s'inscrit dans le cadre du projet ANR DALHAI en collaboration avec CIAD Dijon, expert en intelligence artificielle, avec lequel nous concevrons les ALU qui seront réalisées et étudiées expérimentalement et numériquement à l'ICB. Un atout majeur des composants plasmoniques est la possibilité de moduler électriquement leur réponse optique locale ce qui permettra d'explorer une étape supplémentaire d'intégration et de reconfigurabilité à haute fréquence.5 L'objectif principal du programme de recherche est de démontrer, opérer et décrire numériquement l'équivalent d'un additionneur complet 2x2 bits puis de concevoir des processeurs de complexité supérieure. Un second objectif est la compréhension des phénomènes physiques mis en jeu dans la modulation électro-optique de la réponse des ALU.5,6
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1 - S. Viarbitskaya, A. Teulle, R. Marty, J. Sharma, C. Girard, A. Arbouet, E. Dujardin, Nature Materials, 12, 426 (2013).
2 - U. Kumar, G. Colas des Francs, A. Bouhelier, E. Dujardin, et al. ACS Photonics, 5, 2328-2335 (2018).
3 - U. Kumar, A. Cuche, C. Girard, S. Viarbitskaya, F. Dell'Ova, R. Al Rafrafin, G. Colas des Francs, S. Bolisetty, R. Mezzenga, A. Bouhelier, E. Dujardin, ACS Nano, 15, 13351-13359 (2021).
4 - F. Dell’Ova, Y. Brulé, D. Shakirova, N. Gros, J. Bizouard, A. Leray, A. Bertaux, O. Labbani Narsis, C. Nicolle, G. Colas des Francs, A. Bouhelier, E. Dujardin. ACS Photon., 2024, 11, 752-761
5 - A. V. Uskov, J. B. Khurgin, M. Buret, A. Bouhelier, I. V. Smetanin, and I. E. Protsenko, ACS Photonics, 4, 1501-1505 (2017).
6 - K. Malchow and A. Bouhelier, J. Opt. Soc. Am. B, 38, 576 (2021).


Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.