H/F Conception et modélisation électromagnétique de résonateurs à modes de galerie pour un maser millim

Sujet de thèse :
Le projet ANR HELIQUANT vise à développer un amplificateur maser millimétrique (100-200 GHz) exploitant l'inversion de population observée dans les niveaux de Landau et de Rydberg d'électrons piégés à la surface de l'hélium liquide. Cette gamme de fréquences correspond au « gap térahertz », où les technologies supraconductrices actuelles restent peu efficaces. La réalisation de ce dispositif nécessite un résonateur diélectrique à modes de galerie (Whispering Gallery Mode, WGM) à très haut facteur de qualité, couplé de manière critique au nuage électronique bidimensionnel et à un circuit hyperfréquence externe, dans un environnement cryogénique confiné et sous champ magnétique. La forte conductivité de Hall anisotrope des électrons sous champ magnétique modifie les conditions aux limites électromagnétiques, complexifiant fortement la conception du résonateur. La thèse vise à concevoir, modéliser et valider expérimentalement des résonateurs WGM opérant entre 100 et 200 GHz, compatibles avec un couplage efficace au nuage d'électrons sur hélium sous champ magnétique modéré. Il s'agira de déterminer les fréquences propres, facteurs de qualité et volumes modaux optimaux, d'identifier la polarisation adaptée aux transitions cyclotron et Rydberg, et d'expliquer quantitativement l'asymétrie de transmission déjà observée expérimentalement sous champ magnétique. Le travail combinera simulations électromagnétiques 3D rigoureuses (solveur FEM, HFSS) et approximations analytiques en limite de film mince pour modéliser la conductivité de surface anisotrope des électrons sur hélium et son impact sur la polarisation, la distribution des modes et la propagation non réciproque dans le résonateur. Différentes stratégies de couplage (antennes, guides d'ondes évanescentes) seront comparées afin de maximiser l'efficacité d'injection à la résonance tout en supprimant la transmission hors résonance. Les prédictions seront confrontées à des mesures à température ambiante par analyseur de réseau vectoriel, réalisées sur la plateforme de caractérisation du LAAS. Une collaboration étroite avec le partenaire LPS permettra d'intégrer les contraintes cryogéniques (cellule hermétique, accès hyperfréquence sans fuite d'hélium) à la conception finale. La thèse doit permettre l'identification d'une géométrie de résonateur optimale pour le couplage aux électrons sur hélium, la validation expérimentale de l'efficacité d'injection à température ambiante, et un modèle prédictif de l'effet de la conductivité de Hall sur les modes WGM. Ces résultats prépareront la démonstration de principe d'un maser millimétrique, avec un potentiel de transfert vers d'autres systèmes électroniques bidimensionnels (GaAs, matériaux 2D).
Contexte :
La thèse se déroulera au LAAS-CNRS (Toulouse), au sein de l'équipe MINC spécialisée en circuits micro-ondes et millimétriques, sous la direction de Hervé Aubert (LAAS) et Alexei Chepelianskii
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