Optomécanique quantique dans un cristal dopé aux ions de terre rare // Quantum optomechanics in a rare-earth ion-doped crystal

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/vHz 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 (g_0>G_opt) 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.
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Optomechanics is a rapidly growing field of fundamental physics, aiming to couple a quantum system with a mechanical system to create macroscopic non-classical states. In this context, so-called hybrid systems, where coupling is achieved through mechanical constraints, are particularly promising [Treutlein2014]. While some approaches pursued in the microwave domain have made remarkable progress, the same is not true in the optical domain, where emitters typically have very short lifetimes (e.g., quantum dots).

In this regard, rare-earth ion-doped crystals (REICs) stand out as an exception: they combine an intrinsically hybrid nature (due to the coupling between electronic levels and lattice deformation) with exceptional coherence properties at low temperatures for solid-state systems (with linewidths as narrow as a few kHz). The combination of these two properties makes them ideal candidates for exploring optomechanical coupling in previously inaccessible regimes, thus opening new perspectives in the field.

Accessing the extremely narrow spectral lines of rare-earth ion-doped crystals will require the use of spectral hole burning (SHB), a technique that creates a narrow transparency window in an inhomogeneous absorption profile. Initially developed for high-resolution spectroscopy, this method is now widely used in various quantum technology architectures (e.g., quantum memories [Afzelius2009] or broadband spectral analyzers [Berger2016, Louchet2020]). SHB allows for the selection of a fraction of ions and the restoration of their quantum properties, which would otherwise be masked by inhomogeneous broadening associated with crystal defects.

This PhD project will focus on exploiting optomechanical coupling in REICs functionalized via SHB. The work will be structured around three complementary research axes.

The first axis will focus on the study and optimization of a quantum accelerometric sensor compatible with cryogenic temperatures. Today, the best cryogenic accelerometers (MEMS) achieve sensitivities on the order of ~10 ng/√Hz with a bandwidth of ~1 kHz. REICs could enable significantly broader bandwidths while maintaining comparable sensitivities, thanks to the quasi-continuous interrogation of a spectral hole. The implementation of such a sensor could benefit the entire field of quantum technologies, particularly for the vibrational diagnostics of cryostats.

The second research axis, centered on doped crystals, aims to deepen our understanding of decoherence mechanisms, which remain poorly understood, particularly those associated with optomechanical coupling. This includes investigating sample geometry, mounting techniques, excitation of a large fraction of ions, and their impact on the spectroscopic properties of the ions.

The third axis, fundamentally exploratory, seeks to exploit the narrow linewidths of REICs to explore new regimes of optomechanical coupling. With optical decoherence rates on the order of kHz, coupling to deformation could operate in the strong coupling regime (g₀ > G_opt), provided that sufficiently high zero-point quantum fluctuations can be achieved. Reaching these regimes will require low-mass mechanical resonators prepared from doped single crystals. Crystal membranes with thicknesses of 300 µm are already available and will allow for initial characterizations.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement public

ANR

ESPCI Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (PSL)

564 Physique en Ile de France

Le·la candidat·e devra avoir des connaissances de base dans un ou plusieurs des domaines suivants : mécanique quantique, interaction lumière-matière, physique des lasers et/ou physique de la matière condensée. Un goût pour la physique expérimentale et le travail en équipe est attendu, ainsi qu'un bon niveau d'anglais. Des compétences de base en programmation seront appréciées.
The candidate must have basic knowledge in one or more of the following fields: quantum mechanics, light-matter interaction, laser physics, and/or condensed matter physics. An interest in experimental physics and teamwork is expected, as well as a good level of English. Basic programming skills will be appreciated.