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(H/F) Doctorant: Résonateurs et circuits phononiques pour les technologies du traitement de l'information classique et quantique

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Informations générales

Référence : UMR6174-AYOAFA-006
Lieu de travail : BESANCON
Date de publication : vendredi 24 avril 2020
Nom du responsable scientifique : Sarah Benchabane-Gaiffe (Chargée de recherche CNRS), Abdelkrim Khelif (Directeur de recherche CNRS).
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Proposition de thèse de doctorat – Phononique

Mots-clefs: Phononique, acoustique quantique, micro- et nanosystèmes, ondes élastiques de surface, métrologie

Contexte :
La notion de vibration mécanique constitue l'un des fondements de la physique classique. Le sujet n'en est pourtant pas moins d'actualité : les progrès liés aux technologies de micro- et nanofabrication constatés au cours de ces dernières décennies ont en effet très largement contribué à un regain d'intérêt considérable pour ce champ disciplinaire. Si les micro- et nanosystèmes électromécaniques (MEMS/NEMS) dominent très clairement ce champ d'investigation, la Phononique, qui aspire au contrôle et à l'analyse des "phonons" à toutes échelles confondues, ouvre des perspectives encore inexplorées. Les dispositifs phononiques à l'échelle mésoscopique en particulier permettent en effet d'envisager un contrôle cohérent des vibrations mécaniques, laissant présager de leur application dans des domaines allant des technologies de l'information à l'interaction lumière-matière~[1-4]. Le couplage de circuits phononiques à des systèmes électromécaniques plus conventionnels (voir par exemple~[5-8]), ainsi que l'émergence récente de l'acoustique quantique~[9-15], au travers notamment de la démonstration de la pertinence des ondes élastiques de surface pour le traitement quantique de l'information, renforce encore l'intérêt porté à la démonstration de plateformes phononiques complexes et intégrables.

Un volet conséquent de nos activités de recherche actuelles s'inscrit dans ce paysage scientifique en rapide évolution. Dans le cadre du projet uNIQUE, financé par l'ERC et dont le démarrage scientifique est prévu en septembre 2020, nous souhaitons oeuvrer au développement de dispositifs électromécaniques complexes, au confluent de la Phononique et des NEMS, permettant de contrôler la propagation et la distribution des ondes élastiques, de surface en particulier. Les objectifs relèvent du traitement électro-acoustique du signal, dans des systèmes d'information classiques comme quantiques, mais également du potentiel d'interaction de ces systèmes avec d'autres degrés de liberté physiques susceptibles d'être affectés par une déformation élastique.

Objectifs de la thèse :
L'objectif de la thèse proposée est d'explorer des architectures phononiques hybrides, mêlant ondes élastiques de surface et résonateurs mécaniques, susceptibles d'opérer en régime classique comme quantique. Nous avons en effet récemment démontré la possibilité d'adresser les modes de micro-résonateurs mécaniques de manière dynamique au moyen d'ondes acoustiques de surface~[8, 16]. Nous souhaitons maintenant exploiter et combiner ondes propagatives et modes localisés, en régime linéaire et non-linéaire, de manière à implémenter des circuits phononiques complexes. Le projet de thèse proposé visera donc à (i) démontrer la réciprocité de l'interaction entre des ondes élastiques de surface et des arrangements de micro-résonateurs mécaniques tri-dimensionnels en régime linéaire et non linéaire; (ii) démontrer la possibilité d'observer une interaction paramétrique mécanique dans ces dispositifs et (iii) réaliser des études préliminaires de la plateforme électromécanique obtenue dans des conditions cryogéniques.
Le doctorant oeuvrera donc à la conception et à la fabrication de la plateforme électromécanique et interviendra aussi bien sur les aspects simulations numériques et nanofabrication que sur la caractérisation par voie optique ou électro-acoustique, essentiellement à température ambiante. Il/Elle bénéficiera se l'expertise du laboratoire d'accueil dans le domaine de la Phononique et des ondes élastiques de surface et aura accès aux moyens technologiques de la Centrale de Technologie MIMENTO, membre du réseau national des grandes centrales de technologie (Renatech). Le candidat aura également l'opportunité de réaliser des caractérisations dans des conditions cryogéniques à des températures de l'ordre de la dizaine de millikelvin. Il/Elle sera encouragé(e) à présenter ses résultats lors de conférences nationales et internationales.

Profil recherché :
Le candidat devra être titulaire d'un Master 2, diplôme d'ingénieur ou équivalent, dans des domaines connexes à la physique ou à la physique appliquée. De bonnes connaissances théoriques en physique générale (physique du solide, optique, acoustique) sont requises. Il devra témoigner d'un véritable goût pour la physique expérimentale. La maîtrise de l'anglais technique écrit et oral est impérative.

Bibliographie:
[1] P. Deymier, Ed., Acoustic Metamaterials and Phononic Crystals. New York: Springer, 2013.
[2] V. Laude. Phononic Crystals - Artificial Crystals for Sonic, Acoustic, and Elastic Waves. Berlin: De Gruyter, 2015.
[3] A. Khelif et A. Adibi, Ed., Phononic Crystals. New York: Springer, 2016.
[4] V. Romero-Garc\'ia and A.-C. Hladky-Hennion, Ed., Fundamentals and Applications of Acoustic Metamaterials: From Seismic to Radio Frequency, John Wiley \& Sons, Ltd (2019).
[5] D. Hatanaka et al., Phonon waveguides for electromechanical circuits. Nat. Nanotechnol., 9, 520 (2014).
[6] D. Hatanaka et al., Selective activation of localized mechanical resonators via a phonon waveguide. Appl. Phys. Lett., 113, 043104 (2018).
[7] W. Fu et al., Phononic integrated circuitry and spin–orbit interaction of phonons. Nature Communications, 10, 2743 (2019).
[8] L. Raguin et al., "Dipole states and coherent interaction in surface-acoustic-wave coupled phononic resonators," Nature Commun., 10, 4583 (2019).
[9] P. Delsing et al., The 2019 surface acoustic waves roadmap. J. Phys. D: Appl. Phys., 52 (2019).
[10] M. V. Gustafsson et al., Propagating phonons coupled to an artificial atom. Science, 346, 207 (2014).
[11] M. J. Schuetz et al., Universal quantum transducers based on surface acoustic waves. Phys. Rev. X, 5, 031031 (2015).
[12] R. Manenti et al., Circuit quantum acoustodynamics with surface acoustic waves. Nat. Commun., 8, 975 (2017).
[13] Y. Chu et al., Quantum acoustics with superconducting qubits. Science, 358, 199 (2017).
[14] K. J. Satzinger et al., Quantum control of surface acoustic-wave phonons. Nature, 563, 661 (2018).
[15] A. Bienfait et al., Phononmediated quantum state transfer and remote qubit entanglement. Science, 364, 368 (2019).
[16] S. Benchabane et al., "Surface-Wave Coupling to Single Phononic Subwavelength Resonators," Physical Review Applied 8, 034016 (2017).

Contexte de travail

L'institut FEMTO-ST (Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies ; www.femto-st.fr) est un laboratoire de recherche associé au CNRS et rattaché à l'Université de Bourgogne Franche-Comté (UBFC). Situé majoritairement à Besançon, FEMTO-ST est l'un des laboratoires majeurs de Sciences pour l'Ingénieur en France (environ 700 personnes dont 230 chercheurs ou enseignants chercheurs, 95 ingénieurs, techniciens et administratifs et 225 doctorants). Ses domaines d'activité relèvent de l'électronique, la mécanique, la thermique, l'optique, l'automatique et l'informatique. Le laboratoire dispose d'une centrale de technologie membre du réseau national des grandes centrales (Renatech) offrant des équipements à l'état de l'art distribués sur 800 m2 de salle blanche. Le doctorant rejoindra plus précisément la branche bisontine de l'équipe MOSAIC du département Micro Nano-Sciences & Systèmes (MN2S).

Contraintes et risques

Risque laser, travail en salle blanche (exposition à des substances chimiques).

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