Materiaux et Dispositifs Quantiques

L’axe Matériaux et Dispositifs Quantiques rassemble les chercheurs, expérimentateurs et théoriciens, qui étudient la matière condensée à des échelles spatiales ou temporelles telles que les effets de confinement ou de cohérence quantiques sont prépondérants. Les excitations élémentaires ou collectives (électroniques, vibrationnelles, de spin, topologiques, etc) et leurs interactions sont étudiées par des techniques de transport mésocopique haute fréquence ou de spectroscopie optique continue ou ultra-rapide, couvrant le spectre électromagnétique du GHz au visible sur une gamme d’énergie allant du μeV à quelques eV. Le contrôle et la manipulation quantique des propriétés de la matière est mis à profit dans des dispositifs intégrés exploitant le couplage entre ces excitations et les champs électromagnétiques pour réaliser de nouvelles fonctions dans les domaines de l’électronique ou de la photonique quantiques. Parmi les systèmes étudiés récemment, on peut citer les nano et hétéro-structures de semi-conducteurs III-V et II-VI, les matériaux 2D lamellaires comme le graphène, hBN, les dichalchogénures de métaux de transition, les isolants ou semi-métaux topologiques, les matériaux 1D comme les nanotubes de carbone ou les matériaux 0D comme les boı̂tes quantiques (de semi-conducteurs, de graphène, de perovskites...). L’axe inclut également des développements technologiques poussés en croissance de matériaux et nanofabrication.

L’axe Matériaux et dispositifs quantiques regroupe les équipes :

Nano-Optique

E. Baudin (MCF ENS), Y. Chassagneux (CR CNRS), C. Diederichs (MCF SU), G. Hétet (MCF ENS), C. Voisin (PR UPD)

L’équipe s’intéresse aux propriétés optiques des systèmes de taille nanométrique où les effets de confinement quantique deviennent prépondérants. Le couplage de ces nano-émetteurs à des structures photoniques qui produisent un fort confinement électromagnétique permet de revisiter l’interaction lumière-matière à un niveau très fondamental et de façonner à volonté l’émission (et l’absorption) de lumière de ces dispositifs. Les systèmes étudiés récemment vont des dispositifs semi-conducteurs III-V comme les micro-cavités à puits quantiques ou les boı̂tes quantiques, aux nano-diamants, nano-structures carbonées ou matériaux 2D lamellaires (graphène, dichalcogénures de métaux de transition). Les études portent sur le lien entre les états quantiques de la matière et les caractéristiques de la lumière émise, y compris pour la génération d’états non-classiques du rayonnement pour le traitement quantique de l’information.

Nano-THz

L.-A. De Vaulchier (CR CNRS), S. Dhillon (DR CNRS), J. Mangeney (DR CNRS), J. Tignon (PR SU)

L’équipe s’intéresse aux propriétés optiques et électroniques de matériaux quantiques novateurs, dans la gamme spectrale térahertz (THz) et moyen infrarouge. Elle est spécialisée dans la spectroscopie ultra-rapide THz et la magnéto-spectroscopie de nanostructures aussi variées que les lasers et détecteurs à cascade quantique, les nouveaux matériaux 2D, les matériaux et dispositifs de la spintronique et les isolants topologiques. Les recherches s’articulent autour de trois axes : (i) les propriétés physiques, ultra-rapides et non-linéaires de nouveaux dispositifs quantiques électroniques, photoniques et optoélectroniques (ii) l’étude fondamentale de nouvelles phases quantiques de la matière condensée, en particulier la matière de Dirac et la matière topologique et (iii) les propriétés optiques et plasmoniques des matériaux 2D et nanostructurés et leur interaction en régime de couplage fort avec la lumière.

Physique Mésoscopique

J.-M. Berroir (PR ENS), E. Bocquillon (CR CNRS), M. Delbecq (MCF SU), G. Fève (PR SU), T. Kontos (DR CNRS), Z. Leghtas (MCF Mines ParisTech), F. Mallet (MCF SU), B. Plaçais (DR CNRS)

L’activité de l’équipe couvre différents aspects du transport quantique dynamique allant de l’optique quantique électronique à l’électrodynamique quantique en cavité and passant par l’électronique des Fermions de Dirac, la matière topologique et la photonique quantique microonde. Elle étudie des systèmes modèles comme les nanotubes de carbone, le graphène, les canaux de bord de l’effet Hall quantique dans les hétérostructures de semiconducteurs, ou les isolants topologiques et les qubits supraconducteurs. Les dispositifs sont réalisés la plupart du temps au laboratoire par des techniques de nanofabrication en salle blanche. Ils sont caractérisés par des mesures de transport et de bruit en régime quantique dans la gamme microonde.

QUAD : Physique Quantique et Dispositifs

D. Gacemi (IR CNRS), C. Sirtori (PR ENS), Y. Todorov (CR CNRS), A. Vasanelli (PR UPD)

L’équipe vise à développer une recherche de haut niveau au contenu technologique et applicatif. Les activités exploitent les concepts de la mécanique quantique, en particulier dans le domaine de l’interaction lumière-matière, pour réaliser de nouveaux dispositifs opto-électroniques. L’objectif principal est la compréhension et le contrôle de nouveaux phénomènes quantiques dans des matériaux de dimensionnalité réduite et adaptés à la fabrication ”top-down” en salle blanche (semiconducteurs, matériaux 2D, métaux et autres matériaux liés aux process nano-technologiques). Les dispositifs réalisés sont dans le domaine de l’infrarouge (3-300 μm) et de l’hyperfréquence, des portions du spectre électromagnétique ayant un fort potentiel pour les applications et le transfert technologique.

Les travaux sont organisés dans 3 directions- Physique quantique à N-corps - Plasmonique et métamatériaux - Photonique et dispositifs infrarouges. L’équipe est adossée à une Chaire Industrielle ENS-THALES.

Théorie de la Matière Condensée

F. Carosella (MCF UPD), A. Cottet (CR CNRS), R. Ferreira (DR CNRS), C. Mora (MCF UPD), N. Regnault (DR CNRS)

L’équipe couvre un large spectre de thématiques à l’image du domaine, allant de la physique des matériaux et des dispositifs quantiques jusqu’à des problématiques de théorie quantique des champs ou ayant des résonances avec les hautes énergies. Parmi les sujets traités, se trouvent le transport et les couplages électrons-photons dans
les systèmes mésoscopiques, les phases et ordres topologiques, les systèmes quantiques hors équilibre, les propriétés optiques de nano-structures. Une caractéristique de l’équipe est son lien avec les équipes expérimentales, au département de physique de l’ENS et en région parisienne, ainsi que ses nombreuses et dynamiques collaborations internationales.