Spectroscopie à ultra-haute résolution des semi-conducteurs à l'échelle nanométrique // Ultra-high resolution spectroscopy of semiconductors at the nanometer scale

La nano-optique est la science des phénomènes optiques se produisant bien en dessous de la limite de diffraction de la lumière. Pour dépasser cette limite fondamentale, un large éventail de nouvelles techniques et de nouveaux concepts ont été développés au cours des deux dernières décennies. Parmi ceux-ci, l'utilisation d'électrons rapides, se déplaçant à environ la moitié de la vitesse de la lumière, s'est révélée particulièrement puissante pour sonder les propriétés optiques des nanomatériaux.
Notre équipe est pionnière dans ce domaine, utilisant la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (EELS) et la cathodoluminescence (CL) pour étudier une grande variété d'excitations dans les solides, allant des phonons aux excitons, avec des niveaux de résolution spatiale et spectrale auparavant inaccessibles. Plus récemment, nous avons développé la spectroscopie à gain d'énergie (EEGS), une technique qui combine l'exceptionnelle résolution spatiale permise par la très courte longueur d'onde des électrons (quelques picomètres) avec la résolution spectrale sub-µeV apportée par un laser. Cette capacité unique a permis d'étudier des systèmes d'un grand intérêt pour l'optique quantique, tels que des cavités optiques à très haut facteur de qualité.
Malgré ces avancées, une question centrale demeure ouverte. Si la spectroscopie EEGS des excitations dans des systèmes submicroniques tels que les cavités photoniques et plasmoniques est désormais bien établie, la situation reste largement inexplorée, tant sur le plan théorique qu'expérimental, en ce qui concerne les systèmes semi-conducteurs. L'objectif de cette thèse est d'explorer le domaine entièrement nouveau de la spectroscopie à ultra-haute résolution de dispositifs semi-conducteurs à l'aide d'électrons relativistes.
Le projet se déroulera sur une plateforme expérimentale unique combinant un microscope électronique en transmission (TEM) monochromaté de dernière génération avec un système laser, ainsi que des échantillons spécifiquement conçus par lithographie pour optimiser les interactions électron-photon. Une telle combinaison ouvre de nouvelles perspectives en nano-optique qui n'étaient jusqu'ici pas envisageables. Le projet sera réalisé dans le cadre du projet ERC Advanced Grant FreeQCC.
Ce travail requiert un(e) candidat(e) motivé(e) et curieux(se), avec un fort intérêt pour la physique et un réel désir d'explorer un domaine de recherche encore émergent, à l'interface entre nano-optique, sciences quantiques, science des matériaux et instrumentation avancée.
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Nano-optics is the science of optical phenomena that occur well below the diffraction limit of light. To overcome this fundamental limit, a wide range of new techniques and concepts have been developed over the past two decades. Among them, the use of fast electrons, traveling at about half the speed of light, has proven particularly powerful for probing the optical properties of nanomaterials. Our team has been pioneering in this field, employing electron energy-loss spectroscopy (EELS) and cathodoluminescence spectroscopy (CL) to investigate a wide variety of excitations in solids, ranging from phonons [Li, X. et al. Three-dimensional vectorial imaging of surface phonon polaritons. Science 371, 1364–1367 (2021).] to excitons [Hou, J. et al. Liquid-phase sintering of lead halide perovskites and metal-organic framework glasses. Science 374, 621–625 (2021)], with levels of spatial and spectral resolution that were previously unattainable. More recently, we have developed energy-gain spectroscopy (EEGS), a technique that combines the exceptional spatial resolution enabled by the extremely short wavelength of electrons (a few picometers) with the sub-µeV spectral resolution provided by a laser [Auad, Y. et al. μeV electron spectromicroscopy using free-space light. Nat. Commun. 14, 4442 (2023).]. This unique capability has made it possible to study systems of major interest for quantum optics, such as ultra-high finesse optical cavities.
Despite these advances, a central question remains unanswered. While the EEGS of excitations in sub-micrometer systems such as photonic and plasmonic cavities is now well established, the situation is still completely open, both theoretically and experimentally, when it comes to semiconducting systems. The aim of this PhD project is to explore the entirely new domain of ultra-high resolution spectroscopy of semi-conducting devices with relativistic electrons.
The project will take place on a unique experimental platform combining a state-of-the-art monochromated transmission electron microscope (TEM) with a laser system, along with specifically engineered lithographic samples designed to optimize electron–photon interactions. Such unique combination opens new perspectives in the nano-optics field that could not be considered before. The project will be performed in the framework of the ERC advanced grant FreeQCC.
This work requires a motivated and curious candidate with a strong interest in physics and a genuine desire to explore a research field that is only beginning to be charted, at the frontier of nano-optics, quantum science, material science, and advanced instrumentation.
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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 ; - 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 ; - Interest in experimental physics; - Interest in new concepts in physics - Knowledge of computer programming, especially in Python; - Attention to detail and systematisation of experiments