Fabrication et Etude de Nouveaux Matériaux et Dispositifs Bidimensionnels pour les Technologies Quantiques // Fabrication and Study of New Two-Dimensional Materials and Devices for Quantum Technologies

Description du projet
Les matériaux bidimensionnels (2D), ont profondément transformé la physique des matériaux et l'optoélectronique depuis leur émergence. Leur épaisseur atomique, leur forte interaction spin-orbite, l'absence de centre d'inversion de symétrie, ainsi que leur compatibilité avec l'empilement en hétérostructures van der Waals en font des plateformes particulièrement attractives pour l'étude de nouvelles propriétés électroniques, optiques et spintroniques.

Ces caractéristiques ont permis l'émergence d'une nouvelle classe de matériaux artificiels aux propriétés modulables, ouvrant la voie à une large gamme d'applications en électronique et optoélectronique. Aujourd'hui, l'ingénierie de ces matériaux et hétérostructures à l'échelle du plan atomique est également en plein essor pour des applications prometteuses dans le domaine des technologies quantiques (capteurs et communications quantiques).
Dans ce contexte, le développement de nouveaux dispositifs pour les technologies quantiques basés sur des structures 2D repose sur trois axes principaux :
(i) une compréhension fine des propriétés électroniques et optoélectroniques intrinsèques des matériaux 2D,
(ii) l'étude des mécanismes d'interaction entre les couches dans des hétérostructures innovantes,
(iii) le développement de dispositifs prototypes

Ce projet de thèse vise à contribuer à l'exploration de ces trois axes, en s'appuyant sur l'étude d'hétérostructures 2D avancées. L'un des objectifs initiaux sera de développer des sources de photons intriqués en polarisation ultra-compactes, basées sur des cristaux 2D de quelques dizaines de nanomètres d'épaisseur, dans la gamme des longueurs d'onde des télécommunications. Nous avons déjà obtenu des résultats préliminaires très encourageants dans le cadre d'un contrat financé par le CNES qui vient de débuter sur ces sources de lumière quantique 2D. Ce projet est également suivi par les deux grands acteurs toulousains pour la communication quantique dans le spatial (Airbus Defense&Space et Thales Alenia Space).
Nous étudierons également, de manière complémentaire, les propriétés de cohérence excitonique dans ces semiconducteurs 2D afin d'évaluer leur potentiel pour la manipulation de l'information quantique.

L'ensemble de ces investigations s'appuiera sur des techniques avancées de spectroscopie optique, incluant des approches multidimensionnelles (résolues en espace, énergie, polarisation, temps) couplées à des capacités de nano-fabrication de précision.
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Project Description
Two-dimensional (2D) materials have profoundly transformed materials physics and optoelectronics since their emergence. Their atomic thickness, strong spin–orbit interaction, lack of inversion symmetry, and compatibility with stacking into van der Waals heterostructures make them particularly attractive platforms for exploring new electronic, optical, and spintronic properties.

These features have enabled the emergence of a new class of artificial materials with tunable properties, opening the way to a wide range of applications in electronics and optoelectronics. Today, the engineering of these materials and heterostructures at the atomic scale is also rapidly developing for promising applications in quantum technologies (quantum sensing and quantum communications).
In this context, the development of new quantum technology devices based on 2D structures relies on three main directions:
(i) a detailed understanding of the intrinsic electronic and optoelectronic properties of 2D materials,
(ii) the study of interlayer interaction mechanisms in innovative heterostructures,
(iii) the development of prototype devices.

This PhD project aims to contribute to these three directions through the study of advanced 2D heterostructures. One of the initial objectives will be to develop ultra-compact sources of polarization-entangled photons based on 2D crystals with thicknesses of a few tens of nanometers, operating in the telecommunications wavelength range. We have already obtained very encouraging preliminary results within a CNES-funded project that has just started on these 2D quantum light sources. This project is also followed by two major Toulouse-based stakeholders in space quantum communications (Airbus Defence & Space and Thales Alenia Space).
In parallel, we will investigate excitonic coherence properties in these 2D semiconductors in order to assess their potential for quantum information processing.

All these studies will rely on advanced optical spectroscopy techniques, including multidimensional approaches (resolved in space, energy, polarization, and time), combined with high-precision nanofabrication capabilities.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Programmes ministériels spécifiques

Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse

482 SDM - SCIENCES DE LA MATIERE - Toulouse

Nous recherchons un(e) candidat(e) motivé(e) disposant d'une solide formation en physique, en particulier en physique des semiconducteurs. Une expérience en caractérisation expérimentale de matériaux et dispositifs semiconducteurs et des connaissances en techniques de spectroscopie optique constitueront un atout. Ce projet de thèse s'adresse à un(e) candidat(e) souhaitant développer des compétences à la fois expérimentales (spectroscopie ultrarapide, optique non linéaire, caméra à balayage de fente, microscopie confocale) et théoriques (physique du solide, mécanique quantique, physique du spin, optique quantique). Le/la candidat(e) devra faire preuve de curiosité, d'autonomie et d'un fort intérêt pour les recherches interdisciplinaires à l'interface des nanosciences et des technologies quantiques. Un bon niveau d'anglais est requis.
We are seeking a highly motivated candidate with a strong background in physics, particularly in semiconductor physics. Experience in the experimental characterization of semiconductor materials and devices, and knowledge of optical spectroscopy techniques will be considered a strong advantage. This PhD position is ideally suited for candidates interested in combining advanced experimental approaches (ultrafast spectroscopy, nonlinear optics, streak camera measurements, confocal microscopy) with a solid theoretical understanding (solid-state physics, quantum mechanics, spin physics, quantum optics). The candidate should demonstrate curiosity, autonomy, and a strong interest in interdisciplinary research at the interface of nanoscience and quantum technologies. A good command of English is required.