Vers la mesure de l'intrication entre électrons relativistes et photons médiée par des plasmons // Towards entanglement between relativistic electrons and photons mediated by plasmons

La cohérence quantique, pierre angulaire de la physique moderne, englobe des phénomènes tels que l'intrication quantique et les oscillations de Rabi, qui n'ont pas d'équivalent classique. Notre équipe cherche à repousser les frontières de la mécanique quantique en s'appuyant sur les avancées récentes en nanophysique des électrons libres et en nano-optique quantique [García de Abajo, F. J. et al. Roadmap for Quantum Nanophotonics with Free Electrons. ACS Photonics 12, 4760–4817 (2025)].
Une question centrale encore ouverte est de savoir si un électron libre relativiste peut être intriqué avec un photon. Ce projet de doctorat vise à répondre à ce problème fondamental.
Pour relever ce défi, nous adoptons une approche combinant expérimentation, développement instrumental et modélisation théorique, afin de mesurer les corrélations temporelles entre un électron libre d'environ ~100 keV et un photon, médiées par un plasmon de surface. Plus précisément, nous utiliserons un microscope électronique en transmission à balayage afin de former une sonde électronique nanométrique, que nous positionnerons avec une précision nanométrique en des points de haute symétrie dans des structures plasmoniques chirales spécialement conçues. Nous avons récemment démontré que de telles structures émettent des photons fortement polarisés circulairement aux énergies de leurs modes plasmons de basse énergie. Nos calculs préliminaires indiquent en outre que, dans ce régime, chaque électron perdant une telle énergie acquiert un moment cinétique orbital bien défini [Lourenço-Martins, H., Gérard, D. & Kociak, M. Optical polarization analogue in free electron beams. Nat. Phys. 17, 598–603 (2021)], et devient presque parfaitement intriqué avec un photon de polarisation circulaire.
Pour démontrer cette intrication, nous réaliserons une série d'expériences de corrélation électron-photon, initialement mises en œuvre au sein de notre équipe [Varkentina, N. et al. Cathodoluminescence excitation spectroscopy: Nanoscale imaging of excitation pathways. Sci. Adv. 8 (2022)], visant à tester la violation des inégalités de Bell correspondantes. Ces expériences s'appuieront sur une combinaison unique au monde de microscope, d'échantillons conçus sur mesure et de détecteurs de pointe.
Le projet s'inscrit dans le cadre de l'ERC FreeQCC et de l'ANR Bernardo.
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Quantum coherence, a cornerstone of modern physics, encompasses phenomena such as quantum entanglement and Rabi oscillations, which have no classical counterparts. Our team aims to push the boundaries of quantum mechanics by leveraging advances in free-electron nanophysics and quantum nano-optics [García de Abajo, F. J. et al. Roadmap for Quantum Nanophotonics with Free Electrons. ACS Photonics 12, 4760–4817 (2025)].
A central open question is whether a relativistic free electron can be entangled with a photon. This PhD project will focus on addressing this fundamental problem.
To tackle this challenge, we pursue a combined experimental, instrumental, and theoretical approach, designed to measure temporal correlations between a ~100 keV free electron and a photon mediated by a surface plasmon. Specifically, we will use a scanning transmission electron microscope to form a nanoscale electron probe, which we will position with nanometric precision at points of high symmetry in specially engineered chiral plasmonic structures. We have recently demonstrated that such structures emit strongly circularly polarized photons at the energies of their low-energy plasmonic modes. Our preliminary calculations further indicate that in this regime, each electron losing such an energy acquires a well-defined orbital angular momentum [Lourenço-Martins, H., Gérard, D. & Kociak, M. Optical polarization analogue in free electron beams. Nat. Phys. 17, 598–603 (2021)], and becomes almost perfectly entangled with a circularly polarized photon.
To prove this entanglement, we will carry out a series of correlation experiments between electrons and photons, first demonstrated in our team [Varkentina, N. et al. Cathodoluminescence excitation spectroscopy: Nanoscale imaging of excitation pathways. Sci. Adv. 8, (2022).] aimed at testing the violation of the corresponding Bell inequalities. These experiments will rely on a unique worldwide combination of microscope, tailored samples, and state-of-the-art detectors.
The project is embedded within the framework of the ERC FreeQCC and the ANR Bernardo.

This internship is intended for a motivated and curious student with a passion for quantum physics and a strong desire to explore an entirely new research domain.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Europe - ERC (European Research Council)

Université Paris-Saclay GS Physique

572 Ondes et Matière

- Curiosité et dynamisme -Physique du solide et/ou optique ; - très bonne connaissance de la mécanique quantique - Attrait pour la physique expérimentale ; - Attrait pour les nouveaux concepts en physique - Connaissances en programmation informatique, notamment en Python ; - Attention aux détails et à la systématisation des expériences ;  
- Curiosity and dynamism -Solid state physics and/or optics ; - very good knowledge of quantum mechanics - Interest in experimental physics; - Interest in new concepts in physics - Knowledge of computer programming, especially in Python; - Attention to detail and systematisation of experiments;