Magnétomètres à pompage optique à 3He // Optically Pumped Magnetometers based on helium-3

Le laboratoire, spécialisé dans la mesure magnétique de haute résolution et de haute précision, développe et fournit depuis plusieurs décennies différentes générations de magnétomètres à pompage optique de l'hélium-4. Ces instruments sont notamment utilisés comme référence sur les satellites de la mission ESA Swarm lancés fin 2013 et ceux de la mission NanoMagSat qui devraient les rejoindre à partir de fin 2027.

En vue de diversifier ses activités et de viser des applications de type capteur abandonné pour lesquelles les contraintes de consommation peuvent être très importantes, le laboratoire souhaite développer une technologie de magnétomètre utilisant cette fois l'atome d'hélium-3 comme élément sensible. La durée de vie de l'état de l'atome d'hélium-3 utilisé pour mesurer le champ magnétique est effectivement beaucoup plus longue que celle de l'état équivalent de l'hélium-4. Cela permet de réduire significativement le besoin de pompage et d'envisager un gain important en termes de consommation énergétique du système. Notre objectif est de démontrer le fonctionnement de cette architecture de magnétomètre afin de réaliser un instrument combinant à la fois un très haut niveau de performances métrologiques et de frugalité énergétique pour ces applications très spécifiques.

L'objet de ce travail de thèse sera donc de concevoir, mettre en œuvre et évaluer une architecture de magnétomètre hélium-3, avec des défis électroniques spécifiques à aborder pour permette d'atteindre cet objectif (chaîne optique à 1083 nm, système de pilotage électronique).
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The laboratory, reknown for its expertise in high-resolution and high-precision magnetic measurements, has been developing and providing for several decades successive generations of optically pumped helium-4 magnetometers. These instruments serve as reference sensors aboard the ESA Swarm mission satellites launched in late 2013, and will also equip the forthcoming NanoMagSat mission, scheduled to launch from the end of 2027 onward.

In an effort to diversify its activities and to address emerging applications involving autonomous or “deploy-and-forget” sensors, where power consumption constraints are particularly demanding, the laboratory now aims to develop a new magnetometer technology based on helium-3 atoms as the sensitive medium. The lifetime of the helium-3 atomic state used for magnetic field measurement is significantly longer than that of the equivalent helium-4 state. This property enables a substantial reduction in optical pumping requirements, thereby offering the prospect of improved energy efficiency and power consumption.

The objective of this research is to advance the Technology Readiness Level (TRL) of this helium-3-based magnetometer architecture, with the ultimate goal of realizing an instrument that combines outstanding metrological performance with exceptional energy frugality, suited to these highly specific and constrained applications.

Accordingly, the purpose of this PhD work will be to design, implement, and experimentally evaluate a helium-3 magnetometer architecture capable of fulfilling these performance and efficiency objectives.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Systèmes de Capteurs, électroniques pour l’Energie
Laboratoire : Laboratoire Autonomie et Intégration des Capteurs
Date de début souhaitée : 01-10-2026
URL : http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/recherche-appliquee/plateformes/plateforme-systemes-cyber-physiques.aspx
URL : http://www.leti-cea.fr/cea-tech/leti/Pages/actualites/News/nanomagsat.aspx

Financement public/privé

Pôle fr : Direction de la Recherche Technologique
Pôle en : Technological Research
Département : Département Systèmes (LETI)
Service : Service Systèmes de Capteurs, électroniques pour l’Energie

Ingénieur physicien en optique / spectroscopie (background en physique quantique)