Thèse Vers un Contrôle de l'Émission Collective dans les Assemblages Organisés de Nanostructures à Confinement Quantique pour la Superradiance H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
Direction de la thèse : Elsa CASSETTE ORCID 0000000214716558
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Ce projet de thèse vise à comprendre et contrôler les couplages entre émetteurs de lumière au sein de nanomatériaux photoactifs présentant un confinement quantique mais dans lesquels les mouvements de l'électron et du trou restent fortement corrélés. Plus précisément, il s'agit d'étudier les propriétés d'émission collective dans les assemblages ordonnés de nanostructures de pérovskite halogénée zéro dimensionnelles (0D) et bidimensionnelles (2D). Le travail expérimental reposera principalement sur des mesures de photoluminescence résolue en temps de ces films organisés, en fonction de la puissance d'excitation laser et de la température (cryostat à azote liquide). Dans un premier temps, l'émission amplifiée (ASE) sera étudiée afin de caractériser le gain optique des échantillons, grâce à une caméra à balayage de fente (streak) à résolution picoseconde. Les processus limitants, tels que la recombinaison non radiative multi-excitonique Auger et la présence de défauts au sein du film ou à la surface des nanostructures, seront analysés. La durée de vie du biexciton, le seuil d'ASE, ainsi que la longueur de cohérence de l'exciton (délocalisation de la fonction d'onde) seront déterminés. Les effets de « force d'oscillateur géante » (correspondant à une forme de superradiance à l'échelle d'un émetteur unique) seront observés et quantifiés à basse températures avec l'évolution du temps de vie radiatif. Dans un second temps, l'objectif sera de contrôler l'orientation relative des dipôles de transition ainsi que la distance entre émetteurs, au sein des assemblages de nanostructures. Cette approche permettra de favoriser l'émergence d'un état superradiant (SR) entre émetteurs couplés de manière cohérente, tout en limitant les processus de décohérence. Ces derniers impliquent notamment les couplages exciton-phonons optiques, ainsi que les phénomènes de relocalisation liés au transfert d'énergie de type Förster induit par les inhomogénéités au sein de l'assemblage.

La superradiance (SR) est un phénomène quantique d'émission de lumière collective à plusieurs émetteurs, « identiques » et en forte proximité, s'accordant pour pouvoir émettre de manière bien plus intense et plus rapidement que s'ils émettaient individuellement. Observée dans des arrangements d'atomes ou systèmes moléculaires hautement organisés, la SR restait, jusqu'à récemment, impossible avec des nanocristaux de semi-conducteurs (inhomogénéités de taille et donc d'énergie, effets de décohérence importants lié à l'environnement solide, délocalisation électronique au sein d'assemblages et temps de vie radiatif longs). L'émergence de nanostructures inorganiques présentant des temps de vie radiatifs courts (picosecondes) à température cryogénique permet aujourd'hui d'envisager leur utilisation pour la SR. Les nanostructures de pérovskite halogénée suscitent un très fort engouement pour le développement de dispositifs opto-électroniques à émission de lumière tels que les diodes électroluminescentes et lasers. En confinement faible (gros nanocubes) ou 1D (nanoplaquettes 2D), le mouvement relatif de l'électron et du trou reste fortement corrélés ce qui permet, entre autres, d'obtenir un temps de vie radiatif de l'exciton compétitif avec les temps de décohérence caractéristiques [1]. Cependant, l'intégration de ces nanostructures synthétisées initialement par voie colloïdale, sous forme de films denses et organisés, est un défi majeur et aujourd'hui, l'observation d'émission collective cohérente dans de tels assemblages reste particulièrement débattue [2,3].

Mettre en évidence l'émission collective cohérence de nanostructures de pérovskite halogénée au sein d'assemblages contrôlés. Caractériser l'ensemble des facteurs de décohérence. Bien caractériser, spectralement et temporellement, les signaux spécifiques à la superradiance par rapport à d'autres processus non collectifs ou non cohérents.

Pour les études photophysiques, l'étudiant.e aura accès aux montages instrumentaux de spectroscopie optique ultrarapide basée sur une source laser TiSa amplifiée et comprenant notamment le montage d'ASE stationnaire récemment développé [4] et l'expérience de photoluminescence résolue en temps (TR-PL) par caméra streak picoseconde. Des dynamiques sub-picosecondes pour les mesures de transfert d'énergie ou de piégeage des porteurs de charge seront réalisées avec l'expérience d'absorption transitoire femtoseconde (fs-TA) [5]. Pour les dynamiques de recombinaisons plus longues (> 1 ns) la TR-PL sera complétée par des mesures de comptage de photons (TCSPC) sur le fluorimètre commercial de l'équipe. Le développement des films de nanostructures ordonnées se fera dans le laboratoire partagé de chimie, sous sorbonne dédiée. Les nanostructures seront synthétisées par la technique LARP (« ligand assisted reprecipitation ») développée précédemment dans l'équipe pour les nanocristaux de CsPbBr3 cubiques [6] et nanoplaquettes de pérovskite 2D [7].