Les structures chirales, c'est-à-dire qui ne peuvent pas être superposées à leur image dans un miroir, interagissent différemment avec la lumière suivant que la polarisation incidente est circulaire gauche ou droite. Ainsi, une structure d'une certaine chiralité diffuse ou absorbe préférentiellement la lumière qui est polarisée circulairement gauche ou droite, produisant ainsi une «réponse chiroptique» spécifique. La chiralité est une propriété cruciale pour de nombreuses molécules essentielles en biologie, telles que les protéines et les acides nucléiques et aminés. Le plus souvent, cependant, la réponse chiroptique de ces molécules est très faible. Une méthode pour exalter la réponse chiroptique serait donc une avancée majeure pour de nombreuses applications en biologie, chimie et physique. C'est un objectif majeur de cette thèse.



Une nanocavité plasmonique (ou structure «nanoparticule sur un miroir») est formée lorsqu'un espace nanométrique sépare une nanoparticule de métal plasmonique d'un substrat métallique. Le champ électromagnétique dans une telle nanocavité est considérablement exalté, grâce aux résonances plasmoniques qui «concentrent» le champ électromagnétique. L'idée principale de ce projet est donc d'appliquer ce principe aux cavités plasmoniques *chirales* et ainsi renforcer les interactions chirales entre la lumière et la matière. Ce type de nanocavité chirale sera réalisé par nos collaborateurs en déposant une nanoparticule d'or synthétisée chimiquement et de forme chirale sur une couche mince séparatrice isolante (0,5 - 2 nm) sur un film métallique. Ce sera la première fois qu'une telle nanocavité chirale est étudiée.



La réponse chiroptique des matériaux et des structures est le plus souvent étudiée par des moyens optiques, mais dans un futur nanodispositif optoélectronique, une excitation électronique locale est nécessaire. En gardant à l'esprit cet objectif à long terme, nous utiliserons des électrons tunnel inélastiques pour exciter localement les échantillons de 'nanoparticules sur un miroir'. L'excitation sera réalisée grâce à la jonction tunnel formée par la nanoparticule chirale et le substrat métallique. Afin de polariser la jonction, le circuit électrique sera complété au moyen de la pointe conductrice d'un microscope à force atomique.



Afin de démontrer une application possible de la réponse chirale améliorée attendue dans la géométrie «nanoparticule chirale sur un miroir», un monofeuillet de dichalcogénure de métal de transition (TMDC) sera placée dans la cavité plasmonique chirale. Les TMDC sont des semiconducteurs bidimensionnels (2D) qui sont au cœur d'un nouveau paradigme technologique: la «valléetronique». En valléetronique, c'est l'état de vallée des électrons (c'est-à-dire leur vecteur 'quantité de mouvement' dans le réseau réciproque du cristal) qui peut être utilisé pour stocker et transporter des informations. Dans les TMDCs, les électrons de différentes vallées émettent de la lumière avec différentes polarisations circulaires lors de leur recombinaison avec des trous – la valléetronique est donc intimement liée à la chiralité. Dans une nanocavité plasmonique chirale, on s'attend à ce que l'émission d'une vallée particulière soit exaltée.



Les principaux objectifs de cette thèse sont donc les suivants:

i. Une fois des structures optimisées de «nanoparticules chirales sur un miroir» (CNoM), réalisées, étudier l'excitation électrique locale de nanoparticules chirales avec des électrons tunnel inélastiques.

ii. Exciter préférentiellement et électriquement la luminescence polarisée circulairement gauche ou droite (c'est-à-dire d'une «vallée» particulière) à partir de TMDC 2D via des nanoparticules chirales et des structures CNoM.
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Chiral structures, whose initial and mirror structural images cannot be superimposed, interact differently with left-handed and right-handed circularly polarized light. Thus a structure of a certain “handedness” preferentially scatters or absorbs circularly polarized light of the same handedness, leading to a specific “chiroptical response”. Chirality is a crucial property for many essential molecules in biology, such as proteins and nucleic and amino acids. Most often, however, the corresponding chiroptical response is very weak. A method for increasing the chiroptical response would thus be a major breakthrough for many applications in biology, chemistry and physics. This is a major goal of this thesis.

A plasmonic nanocavity (or “nanoparticle-on-a-mirror” structure) is formed when a nanoscale gap separates a noble metal nanoparticle from a metallic substrate. The electromagnetic field in such a nanocavity is dramatically enhanced, thanks to the plasmonic resonances which “concentrate” the electromagnetic field. The main idea of this project is thus to apply this principle to chiral plasmonic cavities and thus enhance the chiral interactions between light and matter. Such a chiral nanocavity will be made by our collaborators by depositing a chemically-synthesized gold nanoparticle that has a chiral structure on a thin (0.5 - 2 nm) insulating spacer layer on top of a metallic film. This will be the first time that such a chiral nanocavity is studied. The chiroptical response of materials and structures is most often studied by optical means, yet in a future optoelectronic nanodevice, a local electronic excitation is necessary. Working with this long-term goal in mind, we will use inelastic tunneling electrons to locally excite the nanoparticle-on-a-mirror samples. The exciting tunneling junction will be the one between the chiral nanoparticle and the metallic substrate. In order to polarize the junction, the electrical circuit will be completed using the conducting tip of an atomic force microscope.



In order to demonstrate a possible application of the expected enhanced chiral response in the “chiral nanoparticle-on-a-mirror” geometry, a monolayer of a transition metal dichalcogenide (TMDC) material will be placed in the chiral plasmonic cavity. TMDCs are two-dimensional (2D) semiconductors which are being considered for a new computational paradigm: “valleytronics”. In valleytronics, it is the valley state (i.e., crystal momentum) of the electrons that may be used to store and transport information. In TMDCs, electrons from different valleys emit light with different circular polarizations when recombining with holes—valleytronics is thus intimately related to chirality. In a “handed” chiral plasmonic nanocavity, the emission from a particular valley is expected to be enhanced.



The main objectives of this thesis are thus as follows:

i. Once optimized “chiral nanoparticle-on-a-mirror” (CNoM) structures are constructed, to investigate the local electrical excitation of chiral nanoparticles with inelastic tunneling electrons. Both chiral nanoparticles on transparent substrates, and CNoM structures will be studied.

ii. To preferentially and electrically excite the circularly polarized luminescence of a particular handedness (i.e., from a particular “valley) from 2D TMDCs via chiral nanoparticles and CNoM structures.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Funding category:

Contrats ED : Programme blanc GS-Physique