Doctorant (H/F): Optomécanique quantique dans un cristal dopé aux ions de terre rare

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
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