Description du sujet de thèse

Le doctorant fabriquera des microcavités optiques verticales à base de miroirs de Bragg diélectriques et des matériaux 2D, soit sous forme de monocouches, soit en construisant des hétérostructures 2D. Il/elle mettra en œuvre des contacts électriques à l’intérieur de la cavité afin de permettre un contrôle électrostatique de l'interaction exciton-photon. Une fois fabriquées les microcavités, le doctorant effectuera la caractérisation optique des microcavités dans le régime linéaire afin de déterminer l’intensité du couplage entre les résonances excitoniques et photoniques, et d'évaluer l'atteinte du régime de couplage fort. Par la suite, les non-linéarités des polaritons, générées par un pompage optique pulsé, seront exploitées pour étudier l'hydrodynamique des polaritons en combinaison avec des effets topologiques et quantiques.

Le doctorant sera physiquement basé à la School of Physical and Mathematical Sciences, à NTU, mais interagira chaque semaine avec les théoriciens du projet (à Singapour et en France), ainsi qu'avec les expérimentateurs du Center for Quantum Technologies (NUS, Singapour) et du CRHEA (Univetsité Côte d'Azûr-CNRS, France). Le doctorat sera délivré par l'Université Côte d'Azur, en France.

Le doctorant effectuera la fabrication des échantillons soit dans une boîte à gants, soit dans une salle blanche (dans l'une des salles blanches du NTU). Il/elle caractérisera ensuite les propriétés optiques des échantillons par des expériences de réflectivité, de transmission et de photoluminescence, à la fois à température ambiante et à basse température. Enfin, le doctorant rapportera les résultats au consortium et participera à la diffusion des résultats par des présentations lors de conférences et par la rédaction et la publication d'articles scientifiques.

Des connaissances en physique de la matière condensée, en optique quantique ou en science des matériaux sont un atout, mais ne sont pas nécessaires.
- Une expérience pratique en nanofabrication ou des techniques de caractérisation optique est un atout.
- Une connaissance en programmation sera utile.
- Excellentes capacités d'analyse, d'organisation et de communication.
- Capacité à développer et à entretenir des réseaux interdisciplinaires, en particulier au niveau international.
- Créativité et capacité à sortir des sentiers battus.

- Possibilité de travailler sur un projet stratégique et de jouer un rôle déterminant dans la structuration du domaine en plein essor des communications quantiques.
- Possibilité d’encadrer stagiaires, et liberté de définir et d'exécuter des plans de travail.
- Collaborations actives en France et à Singapour dans des environnements très stimulants.
- Excellentes opportunités de réseautage avec des experts de premier plan du monde universitaire.
- Excellentes conditions de travail avec un salaire et des avantages compétitifs (salaire attractif)

Contexte de travail

MOIRE++ : "Engineering light-matter coupling in TMD-based optical microcavities" est un projet de quatre ans financé par la Fondation nationale de la recherche française (ANR). L'objectif principal du projet est d'explorer la physique du couplage lumière-matière entre les excitons dans les dichalcogénures de métaux de transition et les photons confinés dans les microcavités optiques, et de maîtriser le couplage grâce à un contrôle électrique externe. D'un point de vue technologique, Moiré++ vise à :

O1. Fabriquer des microcavités optiques verticales basées sur des DBR diélectriques et intégrant des TMD qui affichent des facteurs de qualité photonique Qs-3000 dans la première année du projet et qui atteignent notre objectif final de Q~10000.

O2. Mettre en place un contrôle électrique des polaritons dans les TMDs monocouches et les super-réseaux de Moiré intégrés dans des microcavités verticales. Tout d'abord, nous introduirons un champ électrostatique vertical, qui accordera en continu la force de l'oscillateur de l'exciton et, par conséquent, le fractionnement de Rabi. Deuxièmement, nous introduirons un champ électrostatique dans le plan pour "guider" les polaritons électrostatiquement dans les hétérostructures TMD.

Alors que d'un point de vue fondamental, nous prévoyons de démontrer :

O3. L'émergence de corrélations quantiques à partir de polaritons de Moiré. Cela nécessitera des hétérostructures de van der Waals de très haute qualité pour pouvoir coupler un nombre réduit d'excitons au mode de la cavité, et pour avoir une cavité optique avec un Q meilleur que n'importe quelle cavité optique contenant des TMD aujourd'hui.

O4. Étude d'un système topologique non linéaire. La combinaison des non-linéarités des excitons avec les propriétés topologiques du mode photonique de la cavité et de la structure de bande électronique de Moiré sera réalisée dans le même système. La confrontation entre la théorie et l'expérience nous donnera des indications sur l'interaction entre l'excitonique et la photonique grâce à leurs effets sur les phénomènes de Hall optique spin-vallée.

Le consortium regroupe MAJULAB (CNRS, Université Côte d'Azûr, Sorbonne Université, NTU et NUS) (Université Côte d'Azûr-CNRS), l'INSTITUT PASCAL (Université Cerlmont-Auvergne, CNRS) et le CRHEA (Université Côte d'Azûr-CNRS).

Les équipes du Prof. Jesus Zuniga Perez (CNRS) travaillent dans le domaine de la polaritonique depuis plus de 15 ans [1], développant des microcavités à grand facteur de qualité, démontrant la condensation de Bose-Einstein de polaritons à température ambiante [2] et les premiers lasers à polaritons basés sur des polaritons propagatifs [3,4]. Depuis 2022, l'équipe du Prof. Jesus Zuniga Perez et du Prof. Weibo Gao ont établi une collaboration pour étudier le couplage fort dans des microcavités incorporant des dichalcogénures de métaux de transition, qui fournissent des excitons avec des forces d'oscillateur et des énergies de liaison très importantes. Dans ce contexte, ils ont construit une installation de microcavité externe accordable à la NTU, qui sera utilisée de manière systématique pendant le doctorat et qui est actuellement gérée par un chercheur associé, qui participera activement au projet.

MajuLab est un laboratoire international commun dont les institutions signataires sont le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), l'Université Côte d'Azur (UCA), Sorbonne Universite (SU), l'Université Nationale de Singapour (NUS) et l'Université Technologique de Nanyang (NTU). Depuis sa création en 2014, ce centre photonique et quantique franco-singapourien a permis d'initier et de soutenir des synergies à long terme entre les écosystèmes français et singapourien. Le/la chargé(e) de recherche sera physiquement basé(e) à la School of Physical and Mathematical Sciences, à NTU, mais devra contribuer aux travaux du Center for Quantum Technologies, à NUS. Il/elle s'engagera dans l'écosystème très dynamique de Singapour, un centre multiculturel et un leader asiatique dans le domaine des technologies profondes.

Contraintes et risques

Le doctorant effectuera une grande partie de son travail dans un laboratoire d'optique, avec un grand nombre de sources laser. Il devra donc respecter les règles de sécurité strictes établies par le NTU concernant l'utilisation des sources laser.