Description du sujet de thèse

L'optomécanique est un domaine de la physique fondamentale en plein essor, qui vise à coupler un système quantique avec un système mécanique afin de parvenir à créer des états non-classiques macroscopiques. Dans cette perspective, les systèmes dits hybrides, où le couplage est assuré par le biais des contraintes mécaniques, sont particulièrement prometteurs [Treutlein2014]. Si les quelques approches poursuivies dans le domaine micro-onde ont fait des progrès remarquables, il n’en est pas de même dans le domaine optique où les émetteurs ont généralement des durées de vie très courtes (ex : boites quantiques).
Dans ce contexte, les ions de terre rare en matrice cristalline (Rare-Earth Ion-doped Crystals, REIC) font figure d’exception : ils combinent un caractère intrinsèquement hybride (en raison du couplage des niveaux électroniques à la déformation de la maille cristalline) et des propriétés de cohérence à basse température exceptionnelles pour des systèmes à l’état solide (avec des largeurs de raie pouvant atteindre quelques kHz). La combinaison de ces deux propriétés en fait des candidats idéaux pour explorer le couplage optomécanique dans des régimes jusqu’alors inaccessibles, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles perspectives dans le domaine.
L’accès aux raies très fines des ions de terre rare en matrice cristalline nécessitera le recours au creusement spectral (Spectral HoleBurning, SHB), qui consiste à créer une étroite fenêtre de transparence dans un profil d’absorption inhomogène. D’abord conçue pour la spectroscopie haute-résolution, cette méthode est aujourd’hui couramment utilisée dans de nombreuses architectures liées aux technologies quantiques (ex: mémoires quantiques [Afzelius2009], ou analyseur spectral large bande [Berger2016, Louchet2020]). Elle permet de sélectionner une fraction des ions et de restaurer leurs propriétés quantiques, qui autrement seraient masqués par l’élargissement inhomogène associé aux défauts du cristal.
La thèse portera sur l’exploitation du couplage optomécanique dans les REICs fonctionnalisés par SHB. Le travail s’articulera autour de trois axes complémentaires.
Le premier axe sera centré sur l’étude et l’optimisation d’un capteur quantique accélérométrique compatible avec des températures cryogéniques. En effet, aujourd’hui, les meilleurs accéléromètres cryogéniques (MEMS) présentent des sensibilités de l’ordre du ∼10 ng/sqrt(Hz) avec une bande passante de ∼1kHz. Les REIC pourraient permettre d’aller bien au-delà en termes de bande passante avec des sensibilités comparables, grâce à l’interrogation quasi-continue d’un trou spectral. La mise en œuvre d’un tel capteur pourra bénéficier à l’ensemble de la recherche en technologies quantiques, notamment pour le diagnostic vibratoire de cryostats.
Le deuxième axe de recherche, centré sur les cristaux dopés, vise à approfondir la compréhension des mécanismes de décohérence qui sont encore mal élucidés, en particulier ceux associés au couplage optomécanique. On s’intéressera par exemple à la géométrie des échantillons, à la manière dont ceux-ci sont fixés, ou encore à l’excitation d’une large fraction des ions, et à leur impact sur les propriétés spectroscopiques des ions.
Le troisième axe, résolument fondamental et exploratoire, vise à exploiter la finesse des raies des REICs pour explorer de nouveaux régimes du couplage optomécanique. En effet, grâce aux taux de décohérence optique de l’ordre du kHz, le couplage à la déformation pourra opérer en régime de couplage fort à condition de disposer des niveaux de fluctuations quantiques au point zéro suffisamment élevés. Pour atteindre ces régimes, nous aurons besoin de résonateurs mécaniques de faible masse, préparés dans des monocristaux dopés. Des lamelles cristallines de 300µm d’épaisseur sont d’ores et déjà disponibles et permettront de faire des premières caractérisations.

Contexte de travail

La thèse sera dirigée par Anne Louchet-Chauvet (Institut Langevin), et co-encadrée par Pierre Verlot (LuMIn). Elle s’inscrit dans un projet de recherche collaborative soutenu par l’ANR et qui implique 5 laboratoires de recherche partenaires : l’Institut Langevin, LuMIn, l’IRCP, le LTE et l’Institut Néel. Ce projet finance au total quatre bourses de thèse réparties entre ces laboratoires. Les doctorant·es concerné·es bénéficieront du dynamisme de cette collaboration grâce à des points d’étape réguliers à l’échelle du consortium, et pourront également effectuer des séjours dans les laboratoires partenaires.