Dynamique de Langevin classique et quantique de micro-objets lévitant dans le vide par effet de forces

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 :
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
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