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Thèse de doctorat H/F

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Informations générales

Référence : UMR7588-BERBON-001
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : lundi 4 novembre 2019
Nom du responsable scientifique : Bernard Bonello
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 6 janvier 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Lorsqu'un système ordonné tel qu'un solide cristallin, un cristal phononique, photonique ou optomécanique… est perturbé structurellement, les ondes qui s'y propagent subissent des diffusions multiples qui, pour des degrés de désordre importants, conduisent au confinement spatial des ondes. C'est ce phénomène, connu sous le nom de localisation d'Anderson, que nous voulons mettre en évidence expérimentalement dans des milieux bidimensionnels aléatoires, l'objectif final étant de localiser des ondes élastiques et des ondes électromagnétiques sur des mêmes sites. Outre son intérêt pour une meilleure compréhension globale du comportement des ondes localisées, cette « métasurface » doit permettre à terme la co-localisation de photons et de phonons sur des amas de diffuseurs ayant des dimensions latérales plus petites que λ/10, où λ est la valeur commune des longueurs d'onde optique et acoustique. On attend de ce confinement extrême une exaltation du couplage photon/phonon avec en perspective des applications pour le codage de l'information : les modes élastiques localisés aléatoirement sur la métasurface peuvent être vus comme des états 0 ou 1 qui peuvent être lus par les modes optiques quand ceux-ci sont localisés sur les mêmes sites.

Il s'agira dans un premier temps de déterminer quel désordre (de position et/ou de taille) et quelle loi de distribution aléatoire (loi binomiale, de Poisson…) est la mieux à même de conduire à la localisation. L'objectif est de trouver une relation entre la nature et le degré de désordre d'une part et le champ élastique et/ou optique localisé sur un amas de diffuseurs d'autre part. Les résultats numériques permettront de préparer des métasurfaces ayant un degré et une nature de désordre parfaitement contrôlés. Les échantillons devant supporter la localisation d'ondes électromagnétiques à la longueur d'onde télécom (1,5 μm), les dimensions typiques des diffuseurs sont de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres. Leur élaboration nécessite donc la mise en oeuvre de techniques de nano-fabrication disponibles dans la salle blanche de notre laboratoire ou dans la centrale technologique de l'IEMN de Lille. Les techniques expérimentales utilisées pour mettre en évidence le phénomène de
localisation sont basées sur l'utilisation de lasers ultra-rapides (picoseconde et femtoseconde) pour l'excitation des ondes élastiques de très haute fréquence (50 MHz – 2 GHz) se propageant dans les structures. La détection des ondes localisées se fera au moyen de techniques interférométriques, alliées à une très grande résolution spatiale et temporelle, afin de suivre le trajet et l'amplitude de l'onde en tout point de la surface des échantillons.
L'excitation acoustique se fera à partir d'ondes acoustiques de surface, alors que les modes plasmons localisés sont créés par illumination aux interfaces métal-isolant-métal (entre la couche d'or et les piliers). L'effet du désordre, et plus particulièrement des différentes règles de probabilités mathématiques sur les distributions de particules, sera étudié vis-à-vis de la localisation nanométrique, des phénomènes de transport et des interactions optomécaniques dans la structure phononique/photonique (phoXonique). Au-delà du confinement à l'intérieur de piliers individuels et de leurs interactions, nous nous attendons à des super localisations dans des groupes de N résonateurs pouvant conduire à leur tour à des propriétés physiques comme la localisation de type Anderson. En outre, en augmentant la densité des résonateurs, nous nous attendons à définir un seuil critique au-delà duquel les propriétés du métamatériau changent, comme on peut le voir par exemple dans la limite de percolation. Enfin, nous étudierons la localisation simultanée des champs EM et acoustiques dans la nanostructure et nous calculerons leur couplage OM. Cette localisation simultanée sera à la base de la plateforme phoXonique pour le contrôle et l'exaltation du couplage OM entre les ondes EM et élastiques.
Avec ce projet, nous proposons une démarche originale en combinant des modèles physiques et mathématiques. Nous utiliserons des méthodes numériques, dans les domaines temporel et fréquentiel, pour calculer les courbes de dispersion, de transmission, de réflexion et d'absorption, les cartes de champs, les densités d'états. La distribution des résonateurs sera définie et analysée à partir de processus mathématiques de probabilité et de statistique, comme les processus de Poisson ou de Gibbs. L'analyse théorique sera couplée à des travaux expérimentaux, principalement basés sur les réseaux transitoires, l'acoustique picoseconde et la microscopie optique à haute résolution. L'un des objectifs ambitieux du projet sera de concevoir et de réaliser un microscope acousto-optique à résolution temporelle. Ce nouvel outil OM expérimental permettra de mesurer simultanément la réponse du signal EM sous l'excitation acoustique.
Outre les retombées académiques, le projet vise des perspectives à court et à long termes. Le premier est de proposer un composant OM fonctionnant aux fréquences des télécommunications pouvant conduire à des fonctionnalités telles que des sources et des mémoires de phonons, ou permettre l'émission, la propagation et la manipulation de phonons au moyen d'interactions OM. Deuxièmement, avec la démonstration de la signature élastique, EM et OM d'une métasurface, la thèse ouvre la voie à un codage d'information. En effet, avec un enregistrement OM de la métasurface, il devient possible de lire optiquement une distribution mécanique de résonateurs. Une telle perspective comble le fossé entre le domaine des métamatériaux et la science de l'information.

Contexte de travail

Le candidat devra effectuer un séjour de 15 mois consécutifs au laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB - Dijon) afin d'y développer les parties de la thèse consacrées à la localisation des phoTons et à l'étude des interactions opto-mécaniques. Il sera alors sous la direction scientifique de Benoît Cluzel qui sera également co-directeur de la thèse. On estime que ce séjour débutera à T0+15 mois. Les six derniers mois de la thèse s'effectueront à l'INSP.

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