Thèse en Optique et Matière Quantique

Sujet de thèse :
Contexte et motivation
Le contrôle directionnel de l’interaction lumière-matière constitue un défi majeur tant pour la physique fondamentale que pour les applications liées à l’énergie, en particulier dans le cadre de la gestion du rayonnement thermique et de la récupération d’énergie optique. Une limitation majeure découle de la réciprocité optique, qui impose une symétrie entre la propagation vers l’avant et vers l’arrière des ondes électromagnétiques dans la plupart des systèmes. Les systèmes photoniques actuels (tels que les cellules solaires) sont limités par cette symétrie de réciprocité, qui empêche un contrôle directionnel optimal de la lumière, réduisant ainsi leur rendement. Le fait de rompre la réciprocité permet une réflexion, une absorption et une émission asymétriques, et constitue donc un élément clé pour des fonctionnalités photoniques avancées. Cependant, les démonstrations existantes reposent généralement sur de puissants champs magnétiques externes, ce qui limite considérablement l’évolutivité et la mise en œuvre pratique. Récemment, les matériaux topologiques sont apparus comme des plateformes prometteuses pour obtenir une non-réciprocité intrinsèque. Dans ces matériaux, un champ magnétique externe est remplacé par une courbure de Berry intrinsèque qui se manifeste par une réponse transversale anormale des électrons à un champ électrique. Cette réponse transversale peut, en principe, induire des propriétés optiques non réciproques.

L’objectif de ce projet de thèse est d’étudier si la non-réciprocité optique intrinsèque peut être :
• démontrée de manière robuste sans polarisation externe,
• prédite quantitativement à partir de modèles microscopiques réalistes,
• et étendue à des classes de matériaux allant au-delà des semi-métaux magnétiques de Weyl initialement ciblés.

Ce projet de thèse relève ces défis en combinant la modélisation microscopique des matériaux, la conception photonique et la validation expérimentale des réponses optiques directionnelles.

Le projet vise à établir un cadre complet pour la non-réciprocité optique intrinsèque à travers trois objectifs principaux :
• Modélisation microscopique de la conductivité optique : développer une description réaliste du tenseur de conductivité dépendant de la fréquence σ(ω) à l’aide d’approches numériques applicables à une large classe de matériaux.
• Démonstration expérimentale de la non-réciprocité intrinsèque : fournir une observation claire et quantitative de l’asymétrie directionnelle de la réflectivité (ΔR ≠ 0) en l’absence de champs magnétiques externes, en s’appuyant sur des prédictions théoriques récentes
• Extension à des architectures photoniques complexes : concevoir et étudier des structures photoniques — allant des films minces aux systèmes structurés et potentiellement à motifs — maximisant le contraste optique directionnel et assouplissant les contraintes de symétrie.

Ce projet devrait a
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