Thèse Contrôle Topologique des Ondes Élastiques dans les Cristaux Phononiques Intégration sur Puce pour la Manipulation de l'Information au Ghz H/F

Université de Lille

Établissement : Université de Lille
École doctorale : ENGSYS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
Laboratoire de recherche : Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie
Direction de la thèse : Yan PENNEC ORCID 0000000247199913
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-02T23:59:59

Les métamatériaux élastiques topologiques, à l'interface de la physique de la matière condensée et des sciences des matériaux, sont capables d'héberger des états de surface protégés par des propriétés topologiques intrinsèques, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle de la propagation des ondes élastiques. Le domaine des systèmes acoustiques topologiques a connu un développement rapide depuis la démonstration des effets Hall quantiques dans des milieux acoustiques, suivie par la réalisation d'états de Hall quantique de spin et de Hall quantique de vallée. Ces avancées fondamentales ont ouvert la voie à des travaux ultérieurs mettant en évidence des propriétés topologiques complexes dans les métamatériaux acoustiques et élastiques.
Le projet TWEM, Topological Wave Transport in Elastic Metamaterials, soutenu par l'ANR, se concentre sur la démonstration expérimentale du guidage topologique par le biais d'un contrôle actif de l'onde élastique injectée dans la structure. Cette approche, qui repose sur l'adaptation des propriétés spatiales et spectrales des ondes acoustiques de surface au GHz (SAWs) à l'aide d'un modulateur spatial de lumière, associé à la technique de l'acoustique picosecondes, permet un contrôle précis de la fréquence des ondes et de leurs caractéristiques spatiales. Ces ondes devraient offrir des observations précises des modes d'interface, des modes de coin et leur stabilité dans des structures topologiques, en particulier à des échelles nano et submicroniques et à des fréquences de GHz.
Dans ce contexte, l'objectif du doctorat portera sur des propositions et analyses théoriques et numériques de structures topologiques permettant de répondre, au-delà des propriétés physiques de robustesse et d'unidirectionalité, aux contraintes expérimentales de l'intégration sur puce des guides pour le transport de l'information. Les facteurs limitant dans l'étude expérimentale des dispositifs topologiques à l'échelle du GHz résident dans la génération, l'injection et le contrôle efficaces des ondes élastiques au sein de structures métamatériaux complexes. À ces fréquences, la propagation des ondes est extrêmement sensible aux imperfections de fabrication, aux désaccords de modes aux interfaces, ainsi qu'aux pertes d'énergie dues aux réflexions ou à la dissipation, ce qui rend difficile l'exploration précise de la protection topologique et du transport phononique.

Localisation : L'Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie (UMR CNRS 8520 - https://www.iemn.fr/en/) est situé à Villeneuve D'Ascq, près de la ville de Lille (France). Avec un effectif total de plus de 500 personnes, l'institut a un large domaine d'activité de recherche allant de la physique à la science des matériaux, aux micro et nanotechnologies. Le groupe Ephoni de l'IEMN impliqué dans ce sujet sur la partie modélisation a une longue expertise dans l'étude théorique de la propagation des ondes dans les nanostructures / cristaux phononiques, photoniques et plasmoniques. L'équipe EPHONI de l'IEMN, dirigée par Y. Pennec a contribué au développement théorique du domaine des isolants topologiques phononiques depuis 2017.

Les métamatériaux élastiques topologiques, à l'interface de la physique de la matière condensée et des sciences des matériaux, sont capables d'héberger des états de surface protégés par des propriétés topologiques intrinsèques, ce qui ouvre de nouvelles perspectives pour le contrôle de la propagation des ondes élastiques. Le domaine des systèmes acoustiques topologiques a connu un développement rapide depuis la démonstration des effets Hall quantiques dans des milieux acoustiques, suivie par la réalisation d'états de Hall quantique de spin et de Hall quantique de vallée. Ces avancées fondamentales ont ouvert la voie à des travaux ultérieurs mettant en évidence des propriétés topologiques complexes dans les métamatériaux acoustiques et élastiques.