laboratoire pierre aigrain
électronique et photonique quantiques
 
laboratoire pierre aigrain
 

Optique cohérente et non linéaire

Propositions de thèse et stages de M2




Quantum optics with colored centers in diamond

Projet scientifique
Over the past twenty years remarkable progress has been made in isolating single quantum systems and controlling the coupling to their environment. A lot of efforts were undertaken using ultra-cold single trapped atoms for reaching these goals. Amongst the most recent experimental realizations one can list the demonstration of 14 entangled ions, their use as quantum simulators, the generation of long distance entanglement between atoms, the realisation of ultra-stable clocks and the observation of pristine quantum-electrodynamical effects. Inspired by these developments, nitrogen vacancy (NV) defects in diamonds are now reaching a degree of control that will enable most of these above experiments to be soon realised in a solid state environment.

We intend to transfer part of the knowledge developed over the past decades in the field of single ultra-cold atoms to NV centres in diamonds, with the prospect of being in a position to perform fundamental investigations of quantum electrodynamics and metrology and for operations that are needed for quantum communication in the solid state. Along this project, the tools to realize hybrid platforms comprising of spins in diamonds interacting with single photons will be developed together with fundamental quantum optical experiments.

Techniques utilisées : Optique, microscopie confocale à contraste de polarisation, cryogénie, détection synchrone, etc.

Qualités du candidat requises : Connaissances en physique des nanostructures, physique quantique. Compétences en optique expérimentale.

Rémunération éventuelle du stage : OUI, uniquement pour des étudiants non rémunérés par ailleurs et pour une durée de stage supérieure à 2 mois.
Possibilité de poursuivre en thèse ? OUI

Contact : Gabriel Hétet

Porteurs chauds dans le graphène et les hétérostructures de van der Waals

Projet scientifique
Le graphène est un matériau extrêmement prometteur pour l’électronique du futur. Parmi ses propriétés les plus attirantes figure sa mobilité électronique exceptionnelle qui traduit le faible couplage des électrons avec le réseau. L’étude des mécanismes ultimes qui déterminent ce couplage et la relaxation d’énergie des électrons dans le graphène est donc au cœur d’importants enjeux technologiques. Ces mécanismes permettent aussi d’explorer une physique nouvelle liée aux relations de dispersion particulières des électrons et des phonons et à leur caractère bi-dimensionnel. La configuration idéale pour étudier ces phénomènes est le nano-transistor haute fréquence dont le graphène constitue le canal de conduction. Par ailleurs, la possibilité d’accéder optiquement au canal de conduction ouvre de nombreuses perspectives pour sonder ou contrôler ce couplage électron-réseau. Le laboratoire Pierre Aigrain de l’ENS a développé ce sujet de recherche à l’interface entre les activités des groupes d’optique et de physique mésoscopique : il s’agit de comprendre comment la lumière peut moduler les propriétés électroniques des transistors à graphène ou réciproquement comment le fonctionnement microscopique de ces transistors peut générer des signatures optiques spécifiques (luminescence, diffusion Raman...). Plus récemment, de nouveaux matériaux bi-dimensionnels exfoliables ayant la même structure cristallographique que le graphène (dichalchogénures de métaux de transition comme MoS2, nitrure de bore,...) ont été découverts et permettent de combiner à la demande des mono-couches alternativement métalliques, semi-conductrices ou isolantes permettant d’envisager de nouveaux dispositifs opto-électroniques aux propriétés ultimes en photo-détection, conversion d’énergie ou émission de lumière. Le candidat devra disposer de solides bases en physique de la matière condensée et un réel goût pour la nano-fabrication et l’expérimentation combinant les techniques de spectroscopie optique et d’électronique radio-fréquence.

Techniques utilisées : Nano-fabrication, transport, rf, optical spectroscopy, etc.

Qualités du candidat requises : Connaissances en physique des nanostructures, physique quantique. Compétences en optique expérimentale.

Rémunération éventuelle du stage : OUI, uniquement pour des étudiants non rémunérés par ailleurs et pour une durée de stage supérieure à 2 mois.
Possibilité de poursuivre en thèse ? OUI, fortement recommandée

Contact : Christophe Voisin, Emmanuel Baudin

Détection de rayonnement Téra-Hertz par des MicroCavités semiconductrices

Projet scientifique
La gamme de fréquence des Téra-Hertz (où 1 THz = 1012 Hz = 4.1meV), qui s’étend des micro-ondes au moyen infra-rouge offre une gamme d’applications intéressantes dans des domaines aussi variés que la médecine, l’imagerie de sécurité, le contrôle non-destructif, ou encore la détection de gaz. Malgré ce potentiel, elle reste largement inexplorée en raison ducoût élevé, des performances limitées ou des dimensions des sources et détecteurs usuels.

Nous avons récemment développé un détecteur THz basé sur la transition dipolaire électrique THz de puits quantiques asymétriques en couplage fort avec une microcavité de semiconducteurs [1]. Par rapport aux dispositifs existants, cette approche présente l’avantage de ne plus être fondamentalement limitée à un régime de fonctionnement à basse température qui est nécessaire usuellement pour garantir que les transitions thermiques du détecteur ne masquent les transitions radiatives. Ceci est rendu possible grâce au caractère ephémère des excitations fondamentales (polaritons) réalisant la transition THz dont la température est arbitrairement basse car elles se désintègrent radiativement avant d’avoir pu se thermaliser avec le cristal.

Durant ce stage expérimental, les propriétés optiques et THz des hétérostructures dont nous disposons seront caractérisées à basse température, à l’aide d’un laser monomode Ti:Sa et d’un laser à cascade quantique, et les différents régimes des fonctionnement de ce détecteur seront étudiés.

[1] S. Huppert, O. Lafont, E. Baudin, J. Tignon, and R. Ferreira, Terahertz emission from multiple-microcavity exciton-polariton lasers, Phys. Rev. B 90, 241302 (2014)

Techniques utilisées : optical spectroscopy, cryogeny, electronics.

Qualités du candidat requises : Connaissances en physique des nanostructures, physique quantique. Compétences en optique expérimentale.

Rémunération éventuelle du stage : OUI, uniquement pour des étudiants non rémunérés par ailleurs et pour une durée de stage supérieure à 2 mois.
Possibilité de poursuivre en thèse ? OUI, fortement recommandée

Contact : Emmanuel Baudin