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Contrat doctoral: Automates cellulaires et circuits neuronaux à base d 'excitons-poalritons (H/F)

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : mardi 22 juin 2021

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Informations générales

Référence : UMR8552-ALBBRA-002
Lieu de travail : PARIS 05
Date de publication : mardi 1 juin 2021
Nom du responsable scientifique : Alberto Bramati
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2021
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Les exciton-polaritons sont des états hybrides de lumière et de matière présents dans des microcavités semi-conductrices spécialement conçues. Ils présentent des non-linéarités géantes, plusieurs ordres de grandeur plus fortes que dans les cristaux non linéaires habituels, une très grande cohérence impossible à obtenir dans les systèmes purement électroniques, ainsi qu'un comportement bistable [1].
Les exciton-polaritons sont des candidats idéaux pour la réalisation de dispositifs optoélectroniques: en effet portes logiques, transistors et routeurs tout optique ont été construits dans ces systèmes [2]. Cependant, la combinaison de plusieurs éléments dans un circuit complet a été très difficile jusqu'à présent, en raison de la durée de vie finie des polaritons (dizaines de picosecondes) et de la perte d'informations correspondante. Cependant, dans un système présentant une bistabilité locale, les pertes peuvent être efficacement compensées par un champ support continu.
Le projet se concentre sur deux objectifs clés:

1) Réalisation de neurones-polaritons
Les neurones-polaritons [3] sont basés sur le concept que l'information peut être transportée par un canal dans lequel les régions connectées changent successivement d'état sans qu'il soit nécessaire que les polaritons se propagent sur toute la longueur du canal (par analogie avec les neurones biologiques, où les ions chargés changent l'état local du neurone mais ne parcourent pas eux-mêmes toute sa longueur). De cette manière, la distance de propagation du signal n'est pas limitée par la durée de vie des polaritons.
La conception du canal sera d'abord testée théoriquement et numériquement en utilisant la technique du champ moyen et optimisée pour nos systèmes de microcavités en GaAs.
Pour la mise en œuvre expérimentale, nous utiliserons une microcavité planaire et un modulateur spatial de lumière (SLM) pour fournir un champ d'excitation laser continu spatialement structuré. La mesure de la photoluminescence spatialement résolue établira la réponse du canal à une impulsion appliquée à une extrémité du canal et confirmera l'existence de neurones-polaritons.

2) Réalisation d'automates cellulaires à polariton
Les automates cellulaires font partie des formes les plus simples de vie artificielle [4]. Leur réalisation dans un système photonique n'a jamais été réalisée même si cela permettrait la mise en œuvre d'une grande variété de structures spatio-temporelles avec la même configuration expérimentale. Les automates cellulaires sont généralement formés sur un réseau carré de cellules, où chaque cellule peut exister dans deux états stables.
Dans des travaux récents, il a été prédit que les réseaux d'exciton-polaritons bistables peuvent fonctionner comme des automates cellulaires. Pour leur réalisation expérimentale, nous allons d'abord entreprendre une modélisation théorique avec les caractéristiques de nos échantillons de GaAs pour aboutir à une conception optimisée.
Un réseau de sites de polaritons sera excité avec un champ continu provenant d'un SLM. Par comparaison de l'intensité de photoluminescence résolue spatialement avant et après l'arrivée d'une impulsion appliquée uniformément au système, il sera possible de caractériser le fonctionnement de l'automate cellulaire. Après avoir établi le comportement de base de l'automate cellulaire, plusieurs extensions sont possibles. La réalisation de solitons, de solitons oscillants, de trains de solitons et d'une grande variété de motifs serait possible en considérant différentes conditions initiales contrôlées avec une impulsion à motifs spatiaux définis par un SLM.

[1] C Adrados, A Amo, T C H Liew, R Hivet, R Houdré, E Giacobino, A V Kavokin, & A Bramati, “Spin Rings in Bistable Planar Semiconductor Microcavities”, Phys. Rev. Lett., 105, 216403 (2010).
[2] A Amo, T C H Liew, C Adrados, R Houdré, E Giacobino, A V Kavokin, & A Bramati, “Exciton-polariton spin switches”, Nature Photon., 4, 361 (2010).
[3] T C H Liew, I A Shelykh, & A V Kavokin, “Optical circuits based on Polariton Neurons in Semiconductor Microcavities”, Phys. Rev. Lett., 101, 016402 (2008).

Contexte de travail

Unité mixte de recherche de l'Ecole Normale Supérieure, de Sorbonne Université, du Collège de France et du Centre national de la recherche scientifique (CNRS), le Laboratoire Kastler Brossel (LKB) est l'un des acteurs majeurs dans le domaine de la physique quantique. Il couvre de nombreux sujets allant des tests fondamentaux de la physique quantique jusqu'à leurs applications. Son expertise est reconnue internationalement comme en témoignent ses trois prix Nobel obtenus au long de ses 65 ans d'histoire.

Les activités du laboratoire sont traditionnellement liées à la physique atomique et à l'optique, avec un accent particulier sur les questions fondamentales de l'interaction lumière-matière, des états quantiques de la lumière et de la spectroscopie de précision. L'un des développements importants au cours des dernières décennies concerne le refroidissement et le piégeage des atomes qui ont ouvert un riche domaine d'études sur les gaz et les liquides quantiques, à la frontière entre physique atomique et physique de la matière condensée.

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