Thèse Dispositifs Hybrides Graphène-Semiconducteur pour l'Électrodynamique en Cavités Thz H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique et d'Etude des matériaux
Direction de la thèse : Yanko TODOROV ORCID 0000000223591611
Début de la thèse : 2027-01-01
Date limite de candidature : 2026-08-31T23:59:59

L'objectif de ce projet de doctorat, mené en collaboration entre LPENS et LPEM, est de développer un nouveau type de dispositifs basés sur l'hybridation du graphène avec des nanostructures semi-conductrices. Cette hybridation est obtenue en couplant les excitations électroniques du graphène et des structures semi-conductrices au même mode électromagnétique, entretenu par un résonateur méta-atomique fonctionnant comme un circuit inductif-capacitif haute fréquence. Ces dispositifs constituent non seulement une plateforme inédite pour explorer le couplage lumière-matière à l'échelle nanométrique, mais ils permettront également une spectroscopie entièrement électrique de systèmes électroniques fortement corrélés.

Le rayonnement THz, situé entre les bandes micro-ondes et infrarouge, présente un grand intérêt pour des applications telles que l'imagerie médicale, la spectroscopie et l'astronomie, mais aussi pour l'étude fondamentale de l'interaction lumière-matière dans les systèmes à l'état solide. Ces dernières années ont été marquées par des démonstrations du régime de couplage lumière-matière ultra-fort dans le domaine THz , des études des fluctuations du champ magnétique dans le vide , ainsi que par la conception de nanostructures à base de graphène pouvant servir de qubits THz. Si la plupart des dispositifs THz dans ce contexte reposent sur des hétérostructures semi-conductrices couplées à des métamatériaux, le graphène est désormais reconnu comme un matériau offrant des avantages inégalés pour le développement de la technologie THz. L'objectif de ce projet de doctorat, mené en collaboration entre LPENS et LPEM, est de concevoir un nouveau type de dispositifs basés sur l'hybridation du graphène avec des nanostructures semi-conductrices. Cette hybridation est obtenue en couplant les excitations électroniques du graphène et des structures semi-conductrices au même mode électromagnétique entretenu par un résonateur méta-atomique qui agit comme un circuit inductance-capacité haute fréquence . Ces types de dispositifs constituent non seulement une plateforme novatrice pour explorer le couplage lumière-matière à l'échelle nanométrique, mais ils permettront également une spectroscopie entièrement électrique de systèmes électroniques fortement corrélés .

Fabriquer et étudier des nouveaux types de dispositifs à la base du graphène et des semiconducteur. Mettre en place un nouveau type de spectroscopie des excitations électronique par mesures du transport.

Les dispositifs seront principalement fabriqués au sein du consortium de salles blanches Paris Centre. Le doctorant bénéficiera d'une formation complète aux techniques de nanofabrication. Dans une première phase du projet, nous fabriquerons et caractériserons des dispositifs couplés à des métamatériaux, composés uniquement de jonctions semi-conductrices ou de puits quantiques GaAs/AlGaAs couplés par effet tunnel. Le LPEM a déjà obtenu les plaquettes épitaxiales correspondantes grâce à une collaboration avec Edmund Linfield (Université de Leeds, Royaume-Uni). Ces dispositifs serviront à valider et à caractériser le blocage de Coulomb dynamique (DCB) à l'échelle quantique, avant leur intégration avec le MATBG. Aucune source THz externe n'est requise; cependant, les dimensions des parties capacitives seront de l'ordre de 100nm afin de satisfaire aux conditions d'observation du DCB dans la gamme THz. Ceci implique un courant mesurable très faible pour un dispositif donné. Au LPEM, nous disposons déjà d'un cryostat équipé de câbles triaxiaux et d'une source électrique à haute impédance permettant des mesures à la limite du femtoampère, à 4K. En collaboration avec LPENS, nous effectuerons des mesures dans la gamme des mK sur des dispositifs sélectionnés, où nous prévoyons d'observer des caractéristiques plus nettes dans la dérivée seconde d²I/dV². Les dispositifs seront montés dans un réfrigérateur à dilution à accès optique, récemment installé à LPENS, avec une température de plaque de base de 20 mK. Parallèlement, nous étudierons l'effet tunnel assisté par photons avec des puits quantiques AlGaAs/GaAs couplés à des résonateurs LC (limite classique). Nous utiliserons pour cela la source de rayonnement THz intense de LPENS. Le couplage méta-atomique LC avec l'espace libre sera optimisé, éventuellement par couplage latéral avec des antennes (21). Ces études seront menées dans la gamme 2-4 THz. Pour l'exploration aux basses fréquences (100 GHz-1 THz), nous utiliserons les boîtes quantiques doublées à couplage tunnel développées par LPENS. Ces études fourniront d'ores et déjà des résultats publiables dans des revues à fort impact. S'appuyant sur ces avancées, LPENS et LPEM collaboreront à la réalisation de dispositifs hybrides à jonction tunnel MATBG-cavité. Les transitions optiques du MATBG seront étudiées par des mesures de transport dans les jonctions tunnel semi-conductrices et par effet tunnel assisté par photons. LPENS se procurera le MATBG grâce à une collaboration de longue date avec C2N (R. Ribeiro). Cette configuration offrira une plateforme unique pour les dispositifs THz hybrides, tirant parti à la fois des propriétés physiques uniques du MATBG et des puissantes capacités optoélectroniques des semi-conducteurs dans le domaine THz.