researchJobsPhD in Optics and Quantum Matter (m/f)
Thèse en Optique et Matière Quantique (H/F) — Machine-translated title
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Description of the post
Subject of Thesis
Background and motivation
Directional control of light-matter interaction is a major challenge for both basic physics and energy-related applications, particularly in the context of thermal radiation management and optical energy recovery. A major limitation stems from optical reciprocity, which imposes a symmetry between forward and rearward propagation of electromagnetic waves in most systems. Current photonic systems (such as solar cells) are limited by this symmetry of reciprocity, which prevents optimal directional control of light, thereby reducing its efficiency. Breaking reciprocity allows asymmetric reflection, absorption and emission, and is therefore a key element for advanced photonic features. However, existing demonstrations generally rely on powerful external magnetic fields, which considerably limits scalability and practical implementation. Recently, topological materials have emerged as promising platforms for intrinsic non-reciprocity. In these materials, an external magnetic field is replaced by an intrinsic Berry curvature which is manifested by an abnormal transverse response of the electrons to an electric field. This cross-sectional response may, in principle, induce non-reciprocal optical properties.
The objective of this thesis project is to examine whether intrinsic optical non-reciprocity can be:
• proven robustly without external polarization,
• predicted quantitatively from realistic microscopic models,
• and extended to classes of materials going beyond the initially targeted Weyl magnetic semi-metals.
This thesis project addresses these challenges by combining microscopic material modelling, photonic design and experimental validation of directional optical responses.
The project aims to establish a comprehensive framework for intrinsic optical non-reciprocity through three main objectives:
• Microscopic modelling of optical conductivity: develop a realistic description of the frequency-dependent conductivity tensor using numerical approaches applicable to a wide class of materials.
• Experimental demonstration of intrinsic non-reciprocity: to provide a clear and quantitative observation of the directional asymmetry of reflectivity (ΔR, 0) in the absence of external magnetic fields, based on recent theoretical predictions
• Extension to complex photonic architectures: design and study photonic structures — ranging from thin films to structured and potentially patterned systems — maximizing directional optical contrast and softening symmetry constraints.
This project should result in:
• An in-depth understanding of the mechanisms of optical non-reciprocity in topological materials, validated by experimental measurements.
• Experimental demonstration of intrinsic non-reciprocity in Weyl thin films,
• Identification of new classes of materials with non-reciprocal optical properties, thus broadening the scope of potential applications.
• The publication of these results in high-impact journals and their dissemination at the time of publication.
international conferences.
More broadly, this work will establish a new paradigm for light control using the intrinsic properties of materials, with potential implications for thermal radiation engineering and energy systems.
Your Working Environment
This thesis contract is funded by the Mission for cross-cutting and interdisciplinary initiatives (MITI) of the CNRS. The project is interdisciplinary between the Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon and the Institut des Nanotechnologies de Lyon.
The PhD student will benefit from two distinct and complementary environments: the École Normale Supérieure (ENS) in Lyon and the Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL), located within the École Centrale and the Institut national des sciences appliqués (INSA) in Lyon. These prestigious French major schools are renowned for their excellence in research and higher education, training engineers, future academics and researchers in a highly selective and interdisciplinary environment.
The successful candidate will join a multidisciplinary team combining theoretical physics of condensed matter, numerical and optical modeling and experimental photonics, with strong experience in the field of
collaboration. This team is composed of a physicist specializing in solid physics (D. Carpenter), three photonic specialists (H-S Nguen, Renwen Yu, M. Amara), a materials specialist (R. Bachelet) and an engineer in optical instrumentation (Lotfi Berguiga). In addition, this project is part of a
a collective initiative to structure French research on topological materials and their applications in the energy sector. It will play an active role in several national networks that bring together national actors to study the properties of topological materials, in particular their optical and electromagnetic aspects.
Constraints and risks
No risks identified.
Remuneration and benefits
Remuneration
The remuneration is a minimum of 2300,00 € gross monthly
Annual leave and TWU
44 days
Practice and compensation of TT
TT practice and compensation
Transport
Support at 75% cost and sustainable mobility package up to 300€
About the offer
Supply Reference UMR5672-DAVCAR-002 Section(s) CN / Research Area Micro- and nanotechnologies, micro- and nanosystems, photonics, electronics, electromagnetics, electrical energyAbout CNRS
The CNRS is a major player in fundamental research on a global scale. The CNRS is the only French organization active in all scientific fields. His unique position as a multi-specialist allows him to associate the different disciplines in order to face the most important challenges of the contemporary world, in connection with the actors of change.
The CNRS
Research occupations
Machine translation (OPUS-MT) — the original text is authoritative
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Description du Poste
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 aboutir à :
• Une compréhension approfondie des mécanismes de non-réciprocité optique dans les matériaux topologiques, validée par des mesures expérimentales.
• La démonstration expérimentale de la non-réciprocité intrinsèque dans les films minces de Weyl,
• L’identification de nouvelles classes de matériaux présentant des propriétés optiques non réciproques, élargissant ainsi le champ des applications potentielles.
• La publication de ces résultats dans des revues à fort impact et leur diffusion lors de
conférences internationales.
Plus largement, ces travaux établiront un nouveau paradigme pour le contrôle de la lumière à l’aide des propriétés intrinsèques des matériaux, avec des implications potentielles pour l’ingénierie du rayonnement thermique et les systèmes énergétiques
Votre Environnement de Travail
Ce contrat de thèse est financé par la Mission pour les initiatives transverses et interdisciplinaires (MITI) du CNRS. Le projet est interdisciplinaire entre le Laboratoire de Physique de l'ENS de Lyon et l'Institut des Nanotechnologies de Lyon.
Le doctorant bénéficiera de deux environnements distincts et complémentaires : l’École Normale Supérieure (ENS) de Lyon et l’Institut des Nanotechnologies de Lyon (INL), situé au sein de l’École Centrale et de l’Institut national des sciences appliquées (INSA) de Lyon. Ces prestigieuses grandes écoles françaises sont réputées pour leur excellence en matière de recherche et d’enseignement supérieur, formant des ingénieurs, de futurs universitaires et chercheurs dans un environnement hautement sélectif et interdisciplinaire.
Le candidat retenu rejoindra une équipe multidisciplinaire alliant la physique théorique de la matière condensée, la modélisation numérique et l’optique et la photonique expérimentales, et disposant d’une solide expérience en matière de
collaboration. Cette équipe est composée d’un physicien spécialisé en physique des solides (D. Carpentier), de trois spécialistes en photonique (H-S Nguen, Renwen Yu, M. Amara), d’un spécialiste des matériaux (R. Bachelet) et d’un ingénieur en instrumentation optique (Lotfi Berguiga). De plus, ce projet s’inscrit dans le cadre d’une
initiative collective visant à structurer la recherche française sur les matériaux topologiques et leurs applications dans le secteur de l’énergie. Il jouera un rôle actif au sein de plusieurs réseaux nationaux qui rassemblent des acteurs nationaux pour étudier les propriétés des matériaux topologiques, et en particulier leurs aspects optiques et électromagnétiques.
Contraintes et risques
Pas de risques identifiés.
Rémunération et avantages
Rémunération
La rémunération est d'un minimum de 2300,00 € brut mensuel
Congés et RTT annuels
44 jours
Pratique et Indemnisation du TT
Pratique et indemnisation du TT
Transport
Prise en charge à 75% du coût et forfait mobilité durable jusqu’à 300€
À propos de l’offre
Référence de l’offre UMR5672-DAVCAR-002 Section(s) CN / Domaine de recherche Micro- et nanotechnologies, micro- et nanosystèmes, photonique, électronique, électromagnétisme, énergie électriqueÀ propos du CNRS
Le CNRS est un acteur majeur de la recherche fondamentale à une échelle mondiale. Le CNRS est le seul organisme français actif dans tous les domaines scientifiques. Sa position unique de multi-spécialiste lui permet d’associer les différentes disciplines pour affronter les défis les plus importants du monde contemporain, en lien avec les acteurs du changement.
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Les métiers de la recherche
Advertisement text from CNRS, no licence stated; reproduced with attribution.
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