Thèse Vers la Mesure de l'Intrication Entre Électrons Relativistes et Photons Médiée par des Plasmons H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Solides
Direction de la thèse : Mathieu KOCIAK ORCID 0000000188580449
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-09-01T23:59:59

La cohérence quantique, pierre angulaire de la physique moderne, englobe des phénomènes tels que l'intrication quantique et les oscillations de Rabi, qui n'ont pas d'équivalent classique. Notre équipe cherche à repousser les frontières de la mécanique quantique en s'appuyant sur les avancées récentes en nanophysique des électrons libres et en nano-optique quantique [García de Abajo, F. J. et al. Roadmap for Quantum Nanophotonics with Free Electrons. ACS Photonics 12, 4760-4817 (2025)].
Une question centrale encore ouverte est de savoir si un électron libre relativiste peut être intriqué avec un photon. Ce projet de doctorat vise à répondre à ce problème fondamental.
Pour relever ce défi, nous adoptons une approche combinant expérimentation, développement instrumental et modélisation théorique, afin de mesurer les corrélations temporelles entre un électron libre d'environ ~100 keV et un photon, médiées par un plasmon de surface. Plus précisément, nous utiliserons un microscope électronique en transmission à balayage afin de former une sonde électronique nanométrique, que nous positionnerons avec une précision nanométrique en des points de haute symétrie dans des structures plasmoniques chirales spécialement conçues. Nous avons récemment démontré que de telles structures émettent des photons fortement polarisés circulairement aux énergies de leurs modes plasmons de basse énergie. Nos calculs préliminaires indiquent en outre que, dans ce régime, chaque électron perdant une telle énergie acquiert un moment cinétique orbital bien défini [Lourenço-Martins, H., Gérard, D. & Kociak, M. Optical polarization analogue in free electron beams. Nat. Phys. 17, 598-603 (2021)], et devient presque parfaitement intriqué avec un photon de polarisation circulaire.
Pour démontrer cette intrication, nous réaliserons une série d'expériences de corrélation électron-photon, initialement mises en oeuvre au sein de notre équipe [Varkentina, N. et al. Cathodoluminescence excitation spectroscopy: Nanoscale imaging of excitation pathways. Sci. Adv. 8 (2022)], visant à tester la violation des inégalités de Bell correspondantes. Ces expériences s'appuieront sur une combinaison unique au monde de microscope, d'échantillons conçus sur mesure et de détecteurs de pointe.
Le projet s'inscrit dans le cadre de l'ERC FreeQCC et de l'ANR Bernardo.

La cohérence quantique, pierre angulaire de la physique moderne, englobe des phénomènes tels que l'intrication quantique et les oscillations de Rabi, qui n'ont pas d'équivalent classique. Notre équipe cherche à repousser les frontières de la mécanique quantique en s'appuyant sur les avancées récentes en nanophysique des électrons libres et en nano-optique quantique [García de Abajo, F. J. et al. Roadmap for Quantum Nanophotonics with Free Electrons. ACS Photonics 12, 4760-4817 (2025)].
Une question centrale encore ouverte est de savoir si un électron libre relativiste peut être intriqué avec un photon.

L'objectif de la thèse est de mesurer les inégalités de Bell entre un électron rapide (environ la moitié de la vitesse de la lumière) et un photon.

-Spectroscopies électroniques (EELS, cathodoluminescence) en coincidence
-Microscopie électronique
- Ingénieurie de la phase électronique