Excitons magnétiques dans le semi-conducteur 2D stable à l'air CrSBr // Magnetic excitons in air-stable 2D semiconductor CrSBr

Ce projet de thèse porte sur l'étude des excitons magnétiques dans le semi-conducteur 2D CrSBr, stable à l'air. Depuis les travaux pionniers sur le graphène [1], les matériaux bidimensionnels (2D) ont ouvert un champ d'investigation majeur en physique de la matière condensée. Ces matériaux offrent des propriétés uniques et ajustables via des paramètres externes comme le dopage électrostatique, la contrainte mécanique ou l'empilement de couches [2–4].

La découverte récente de matériaux 2D présentant un ordre magnétique stable a ouvert des perspectives nouvelles en spintronique, magnonique et science de l'information quantique [5,6]. Parmi eux, CrSBr est particulièrement prometteur en raison de sa stabilité à l'air, de sa température de Néel élevée (132 K) [5], de sa nature semi-conductrice quasi-unidimensionnelle [7] et du couplage fort entre excitations électroniques et propriétés magnétiques [6]. Ce matériau permet notamment la lecture optique directe de l'état magnétique par photoluminescence ou mesures en réflexion [6].

En outre, CrSBr présente une énergie de liaison excitonique relativement élevée, dont la valeur exacte reste à déterminer expérimentalement [7]. Des techniques comme la spectroscopie magnéto-optique, déjà utilisées avec succès sur d'autres systèmes bidimensionnels [8], seront mobilisées pour mesurer cette énergie ainsi que d'autres propriétés comme la taille de la fonction d'onde excitonique ou la masse réduite.

L'objectif de ce projet est donc d'étudier expérimentalement les excitons magnétiques dans CrSBr, en s'appuyant sur ses propriétés uniques pour explorer des phénomènes physiques fondamentaux et des applications potentielles. Cela inclut : (1) la fabrication et l'encapsulation de flocons de CrSBr ; (2) la réalisation de structures à effet de champ pour explorer le contrôle électrique des états magnétiques via des marqueurs excitoniques ; (3) la caractérisation optique à température variable et sous champs magnétiques (jusqu'à 90 T), afin d'examiner le couplage exciton-magnon et les effets du désordre thermique sur les états excités.

Ce travail contribuera à une meilleure compréhension des interactions spin-exciton et à l'intégration des matériaux 2D magnétiques dans des dispositifs optoélectroniques avancés. Il s'inscrit dans un cadre collaboratif entre Wrocław Tech et le LNCMI à Toulouse, combinant expertise en fabrication et spectroscopie sous champs extrêmes.
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This PhD project focuses on the study of magnetic excitons in the air-stable 2D semiconductor CrSBr. Since the pioneering work on graphene [1], two-dimensional (2D) materials have become a central theme in condensed matter physics, offering tunable properties and novel device architectures [2–4].

The recent discovery of 2D materials exhibiting robust magnetic ordering has opened new directions in spintronics, magnonics, and quantum information science [5,6]. Among them, Chromium Sulfide Bromide (CrSBr) stands out due to its air stability, high Néel temperature (132 K) [5], quasi-one-dimensional semiconducting nature [7], and strong coupling between its electronic structure and magnetic order [6]. It allows for direct optical read-out of the magnetic state via photoluminescence or reflection, making it unique among 2D magnets [6].

Moreover, CrSBr exhibits a relatively high exciton binding energy, which has been reported but still needs precise characterization [7]. Techniques such as magneto-optical spectroscopy—successfully applied in other 2D materials [8]—will be used to investigate this energy and related properties such as the exciton wavefunction size and reduced mass.

The objective of this research is to experimentally study magnetic excitons in CrSBr, using its unique properties to explore fundamental physics and potential technological applications. The project involves: (1) exfoliating and encapsulating CrSBr flakes; (2) fabricating field-effect structures to probe electric field control of magnetic states through excitonic markers; (3) performing optical and magneto-optical spectroscopy at variable temperatures and magnetic fields (up to 90 T) to analyze exciton-magnon coupling and the impact of thermal disorder on excited states.

This work aims to enhance the understanding of spin-exciton interactions and to support the integration of 2D magnetic semiconductors into advanced optoelectronic devices. The project is conducted in collaboration between Wrocław Tech and LNCMI Toulouse, combining expertise in sample fabrication and high-field spectroscopy.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Boursier étranger du gouvernement français

Université de Toulouse

482 SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

Le profil recherché est celui d'un candidat disposant d'une solide formation en physique expérimentale, en particulier en spectroscopie optique, physique de l'état solide et matériaux 2D. Une expérience dans les mesures à basse température, la préparation d'échantillons nanostructurés et la manipulation de semi-conducteurs en couches est fortement souhaitée. Des compétences en construction de dispositifs expérimentaux, en acquisition et traitement de données, ainsi qu'une familiarité avec les techniques magnéto-optiques seront nécessaires. Une maîtrise de la programmation scientifique (Python, Matlab, LabView) et la capacité à évoluer dans un environnement de recherche international et collaboratif sont également essentielles.
The ideal candidate should have a strong background in experimental physics, particularly in optical spectroscopy, solid-state physics, and 2D materials. Experience with low-temperature measurements, preparation of nanostructured samples, and handling of layered semiconductors is highly desirable. Skills in experimental setup construction, data acquisition and analysis, and familiarity with magneto-optical techniques will be important for this project. Proficiency in scientific programming (e.g., Python, Matlab, LabView) and the ability to work in an international, collaborative research environment are also essential.