Effets optiques non-linéaires dans les dispositifs quantiques polaritoniques // Non-linear optical effects in polaritonic quantum devices

Les phénomènes optiques non linéaires sont essentielles dans de nombreuses applications, allant de la bio-imagerie avancée aux télécommunications, en passant par le développement de nouvelles sources de lumière cohérente. Ils jouent également un rôle déterminant en optique quantique, notamment pour la génération d'états lumineux non classiques, tels que les états comprimés, ou encore pour la réalisation de sources de photons indiscernables, éléments clés de la communication quantique.
Ce projet de doctorat vise à explorer la conversion optique non linéaire dans des dispositifs quantiques opérant dans l'infrarouge moyen (MIR, λ = 3–30 µm) et le domaine térahertz (THz, λ = 30–300 µm). Dans ces gammes spectrales, les approches les plus récentes reposent sur l'utilisation d'hétérostructures à puits quantiques, associées à des microcavités photoniques multimodes ou à des métamatériaux. De tels systèmes permettent de renforcer considérablement l'interaction lumière-matière, jusqu'à atteindre le régime de couplage ultra-fort. Ce dernier ouvre des perspectives inédites en électrodynamique quantique en cavité : les excitations électroniques des puits quantiques s'hybrident alors avec les modes optiques des cavités pour former de nouveaux états, appelés polaritons de cavité, dotés de propriétés profondément non classiques.
Une étude théorique récente menée par notre groupe a montré que la conversion optique non linéaire constitue une plateforme prometteuse pour l'investigation de ces polaritons de cavité, en mettant particulièrement en avant le rôle des effets électroniques collectifs dans l'accès au régime de couplage ultra-fort. Ce régime permettrait par ailleurs d'optimiser les processus de conversion non linéaire au-delà de l'état de l'art, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles applications.
Le projet de thèse se concentrera sur l'étude expérimentale de dispositifs quantiques — tels que des émetteurs et des détecteurs — fonctionnant dans ce régime de couplage lumière-matière ultra-fort. Le doctorant sera chargé de concevoir et de fabriquer ces dispositifs dans les salles blanches du réseau Paris Centre, puis de caractériser leurs performances. Le projet bénéficiera d'une collaboration expérimentale étroite avec l'IEMN de Lille, dans le cadre d'un projet ANR commun.
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Nonlinear optical phenomena play a crucial role in a wide range of applications, from advanced bio-imaging and telecommunications to the development of novel coherent light sources. They are also central to quantum optics, where they enable the generation of non-classical states of light—such as squeezed states—and the realization of indistinguishable photon sources, which form the backbone of quantum communication.
This PhD project aims to investigate nonlinear optical conversion in quantum devices operating in the mid-infrared (MIR, λ = 3–30 µm) and terahertz (THz, λ = 30–300 µm) frequency ranges. In these spectral domains, recent studies have leveraged quantum well heterostructures integrated with multimode photonic microcavities and metamaterials. Such architectures can dramatically enhance light–matter interactions, enabling access to the ultra-strong coupling regime, which defines new frontiers in cavity quantum electrodynamics. In this regime, electronic excitations in quantum wells hybridize with optical modes of microcavities to form new coupled states—cavity polaritons—that can exhibit strikingly non-classical properties.
A recent theoretical study from our group demonstrated that nonlinear optical conversion offers a powerful new platform for investigating cavity polaritons, with particular emphasis on the collective electronic effects that drive access to the ultra-strong coupling regime. This regime also makes it possible to optimize nonlinear conversion beyond the current state of the art, opening exciting opportunities for future applications.
The PhD project will focus on the experimental exploration of quantum devices—such as emitters and detectors—that operate in the ultra-strong coupling regime. The PhD student will design and fabricate these devices in the cleanroom facilities of the Paris Center network, and characterize their performance in our group's optical laboratory. The work will be carried out in close collaboration with IEMN Lille, as part of a joint ANR project.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche*

ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

564 Physique en Ile de France

-Master 2 de Physique -Bon connaissance de Physique Quantique, Electrodynamique, Physique de l'état solide -Stages antérieures expérimentaux ou de nano fabrication sont un bonus
-Master 2 degree in Physics -Good knowledge of Quantum Physics, Electrodynamics, and Solid State Physics -Prior experimental internship or internship implying nanofabrication are bonus