Le projet SPINCHIP explore une nouvelle frontière émergente dans la science des térahertz (THz), en développant des circuits intégrés hybrides photonique-spintronique pour la génération de THz à l’échelle des puces. La technologie térahertz est un élément clé pour les futures avancées dans les communications sans fil (6G et au-delà), l’informatique haute vitesse, les capteurs avancés, ainsi que la métrologie de précision et les études fondamentales en physique des solides. Cependant, les méthodes actuelles de génération et de traitement des signaux THz — basées sur des approches électroniques conventionnelles et photoniques en espace libre — sont encombrantes, inefficaces, limitées en plage de fréquences et difficiles à accorder et à contrôler. Ce goulot d’étranglement freine d’importantes innovations technologiques.
Ce projet adopte une approche novatrice en exploitant la spintronique, qui tire parti du spin intrinsèque des électrons dans de fines couches ferromagnétiques pour convertir des impulsions optiques femtosecondes en rayonnement THz ultra-large bande. De tels émetteurs THz spintroniques à effet Hall inverse (ISHE STE) ont ouvert un tout nouveau paradigme pour la génération THz efficace et réglable, grâce à leur réponse ultrarapide, leur contrôle par champ magnétique et leur quasi-indépendance par rapport à la longueur d’onde de pompage. L’intégration des ISHE STE dans une plateforme de circuits photoniques compacts devrait considérablement élargir les fonctionnalités de cette technologie innovante de génération THz.
En intégrant ces émetteurs dans une plateforme photonique en nitrure de silicium, nous visons à développer des sources compactes, hautement réglables et efficaces de rayonnement THz impulsionnel et en onde continue (100 GHz–10 THz) pouvant être intégrées dans les futures technologies haute vitesse — ouvrant la voie à des systèmes THz miniaturisés, évolutifs et économes en énergie.
Les partenaires du consortium franco-suisse ont déjà initié les premières étapes préliminaires vers ce nouvel émetteur hybride spin-photonique intégré. Le doctorant fera partie de cette initiative de recherche de pointe, sous la direction de deux institutions de recherche de haut niveau, avec accès à des installations expérimentales et technologiques de dernière génération.
Cette nouvelle direction captivante des circuits hybrides intégrés spin-photoniques demeure en grande partie inexplorée, laissant de nombreuses questions scientifiques ouvertes. Voici quelques-uns des défis clés que le doctorant sera amené à relever :
Optimisation de l’émission térahertz spintronique à l’échelle de la puce : les émetteurs THz spintroniques classiques ont démontré des performances à large bande remarquables, mais leur intégration dans des circuits photoniques compacts reste un territoire largement inexploré.
Pompage optique et guidage d’ondes efficaces : tandis que les émetteurs spintroniques en configuration volumique reposent sur un pompage optique en espace libre, leur intégration avec des guides d’ondes en nitrure de silicium soulève de nouveaux défis liés au couplage optique, à la dispersion et aux interactions non linéaires.
Extraction des ondes THz et traitement du signal sur puce : à la différence des émetteurs THz conventionnels fonctionnant en espace libre, les dispositifs spintroniques intégrés doivent permettre une extraction efficace du signal THz généré via des antennes miniatures et des lignes de transmission intégrées à l’échelle de la puce.
Synthèse en onde continue et miniaturisation des sources THz : les méthodes conventionnelles de génération de THz s’appuient sur des peignes de fréquences optiques volumineux et sur des techniques de photomélange en espace libre. La transposition de ces approches vers des architectures intégrées sur puce représente un défi scientifique et technologique particulièrement stimulant.
Contexte de travail
L'activité s'exerce au sein du groupe Photonique THz de l'Institut d'Électronique de Microélectronique et de Nanotechnologie (IEMN, https://www.iemn.fr/) situé à proximité immédiate du campus de l'université de Lille. Cette thèse se fera dans le cadre du projet ANR international Franco-Suisse SPINCHIP (en partenariat avec l'EPFL à Lausanne). Le candidat-doctorant travaillera en étroite collaboration avec l'équipe Suisse. Ses tâches seront entre autres:
Comprendre la physique des émetteurs spintroniques intégrés, en étudiant l’épaisseur optimale des couches, l’efficacité de génération et les caractéristiques du bruit.
Concevoir et fabriquer des puces hybrides photonique-spintronique, en exploitant les techniques de nanofabrication de pointe disponibles à l'EPFL et à l'IEMN.
Développer des techniques avancées d’extraction et de traitement du signal THz, notamment des antennes à large bande et des lignes de transmission à impédance adaptée.
Démontrer la génération THz en onde continue à l’aide de peignes de fréquences optiques stabilisés.
Construire des bancs de métrologie THz spécialisés pour la caractérisation et l’évaluation comparative des nouvelles sources THz directement sur puce.
Le candidat exceptionnellement motivé et talentueux montrera une solide expertise dans un ou plusieurs des domaines suivants :
Photonique et optique intégrée (conception de guides d’ondes, optique non linéaire, peignes de Kerr, etc.)
Spintronique et magnétisme (couches minces, dynamique ultra-rapide du spin, effet Hall de spin)
Science et métrologie THz (génération, détection, spectroscopie)
Nanofabrication et microélectronique (procédés en salle blanche, lithographie, dépôt par pulvérisation cathodique)
Les candidats doivent être titulaires d’un Master (ou équivalent) en physique, génie électrique, nanotechnologie ou dans un domaine connexe. Une expérience en optique expérimentale, lasers ultra-rapides ou ingénierie micro-ondes serait fortement appréciée.
Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.
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