Description du sujet de thèse

La dynamique des diffuseurs piégés optiquement dans le vide est devenue un sujet majeur depuis environ une décennie. Ces derniers sont confinés dans un faisceau lumineux et se comportent comme des oscillateurs sous-amortis Browniens (bruités). Des questions tant fondamentales (la transition vers l’état quantique pour des objets macroscopiques) qu’applicatives (capteurs de force et de couple) se posent.
Ces dernières années, notre groupe a étudié l’influence de forces non conservatives très faibles et analysé le transfert de couple entre le faisceau laser et la matière. Aujourd’hui, la dynamique brownienne d’un « petit » nano-objet en lévitation est bien comprise, dans le régime où le bruit thermique domine.
À présent, l’un des principaux enjeux est d’utiliser des particules plus massives afin d’améliorer la sensibilité des accéléromètres et des gyroscopes, en particulier dans la limite des basses pressions, où les fluctuations d’intensité laser deviennent prédominantes.
Objectifs et travail prévu
Cette thèse de doctorat théorique/numérique se concentrera sur le régime où le mouvement Brownien est principalement influencé par les fluctuations d’intensité (de type Poissoniennes). Notre objectif est de piéger des particules plus massives.
Le potentiel de piégeage ainsi que l’amortissement induit par le recul des photons seront contrôlés grâce à la diffusion multipolaire de la particule. Pour cela, nous modéliserons des fronts d’onde modulés spatialement (implémentés, par exemple, via la technologie SLM), afin d’encoder des déphasages spécifiques entre les différentes contributions multipolaires des forces optiques.
Nos résultats préliminaires montrent que l’ingénierie modale permet d’optimiser le faisceau afin de piéger des particules sphériques micrométriques. Il s’agit d’une avancée importante en lévitodynamique sous vide, où un faisceau optique « classique » ne peut généralement piéger que des particules d’environ 150 nm.
La thèse visera à concevoir des dispositifs de piégeage par faisceau unique pour des particules de grande taille, avec un échauffement joule minimal à l’intérieur du matériau. Des simulations numériques de type Langevin, couplées à des modèles théoriques de diffusion, seront utilisées pour comprendre l’effet du bruit photonique sur la dynamique des grandes particules. Le contrçole de la diffusion (par exemple, la phase relative des multipoles) permettra un nouveau degré de contrôle sur le potentiel de piégeage ainsi que sur le bruit de force, qui étaient totalement absents dans le régime thermique.

Contexte de travail

La thèse de doctorat se déroulera au LOMA et bénéficiera de l’expertise de l’équipe Photonique ainsi que de l’accompagnement de plusieurs chercheurs permanents. La doctorante ou le doctorant aura l’opportunité d’utiliser plusieurs outils déjà développés sur place (codes numériques). Elle/il apprendra à travailler de manière autonome dans un environnement multidisciplinaire, en collaboration avec des Physiciens (numériciens et expérimentateurs).

Contraintes et risques

Le contrat doit démarrer de préférence en 2025.
La procédure de recrutement doit etre finie avant fin Mai 2025.

Nous recherchons un(e) candidat(e) titulaire d’un master en physique, ayant un fort intérêt et de solides compétences en nano-optique, et souhaitant réaliser des simulations numériques. La maîtrise des langages de programmation (par exemple, Matlab) et des outils numériques est indispensable.
Le/la candidat(e) travaillera en étroite collaboration avec un groupe expérimental. Nous recherchons donc une personne capable de travailler en équipe et possédant de bonnes compétences en communication orale et écrite en anglais.