Etude et développement de matrices de détecteurs à inductance cinétique KIDs optiques pour le projet AMINO // Thesis proposal Study and development of optical KID (Kinetic Inductance Detector) arrays for the AMINO project

Grâce à leur performance inégalée, particulièrement en terme de sensibilité qui peut approcher la limite quantique donnée par le bruit d'un photon, les détecteurs à base de supraconducteur représentent le choix de prédilection lorsqu'il s'agit de détecter la lumière primordiale émise au début de l'expansion de l'univers, de sonder le milieu interstellaire qui est le siège de la formation des étoiles mais aussi lorsqu'il s'agit d'étudier les processus physico-chimiques des atmosphères planétaires y compris celle de la Terre. Les technologies développées à l'Observatoire de Paris ont pour principal domaine d'application l'astronomie.

Au début des années 2000, un nouveau type de détecteur ultra-performant, appelé MKID (Microwave Kinetic Inductance Detectors), fonctionnant à très basse température (<100 mK), a été inventé par les équipes de recherche de Caltech et JPL-NASA (USA). Un détecteur MKID est un résonateur de type LC réalisé à partir de matériaux supraconducteurs, dont la fréquence et la phase sont modifiées par l'absorption de photons incidents. Ce changement de fréquence permet alors de détecter l'arrivée du photon et, par le biais d'une calibration, d'en déduire son énergie. Ces capteurs peuvent opérer en mode comptage de photons permettant de réaliser la spectrophotométrie sans recourir à un système de dispersion sur le chemin optique. Le multiplexage en fréquence des MKIDs permet la mise en œuvre de matrices comprenant plusieurs milliers de pixels qui peuvent être lus en parallèle par une seule ligne de lecture. Ici, chaque pixel, ou circuit LC, a sa propre fréquence de résonance. Les MKIDs sont une technologie de détection innovante qui ouvrira un large éventail d'applications en astronomie et astrophysique.

A l'Observatoire de Paris, nous développons depuis 2020 le premier instrument (SPIAKID) utilisant cette technologie [1]. Il s'agit d'un spectro-photo-imageur qui sera principalement dédié à l'observation et à l'étude des galaxies ultra-compactes et de très faible intensité dans le Groupe Local. L'instrument utilisera à terme jusqu'à quatre matrices MKIDs de 20000 pixels chacune, disposées en mosaïque dans le plan focal afin d'atteindre un champ de vision de plusieurs arcminutes sur le ciel.

Cependant, les MKID actuels ont un faible pouvoir de résolution R = λ/Δλ de 4 [2]. Ce dernier doit être amélioré et porté à 20 à environ 550 nm pour répondre aux exigences du nouveau projet AMINO (Advanced Multi-spectral Imaging using Novel wavefront sensors with Optical photon-counting detectors). Cela peut être réalisé à la fois en améliorant les performances des détecteurs et en mettant en œuvre de nouveaux algorithmes de traitement du signal. Porté par l'Observatoire de Paris, AMINO permettra l'imagerie multispectrale utilisant de nouveaux analyseurs de front d'onde avec des MKIDS opérant en mode comptage de photons. Ces nouveaux MKIDs seront conçus pour la détection et l'étude des exoplanètes.

La/le doctorant(e) s'investira dans le développement de détecteurs MKIDs. Une forte interaction avec les équipes impliquées dans le projet AMINO est aussi nécessaire afin de bien définir les algorithmes nécessaires au traitement des données permettant l'amélioration des performances de détection. Dans ce contexte, il est prévu que la/le doctorant(e) se familiarise aussi avec le contexte astrophysique pour lequel les capteurs MKIDs sont développés.

L'ensemble de ces activités, à l'interface de la recherche instrumentale et de l'astrophysique, suppose un profil mêlant des compétences à la fois pointues et transverses. En l'occurrence, une connaissance solide en physique est nécessaire. Une bonne connaissance du phénomène de la supraconductivité sera la bienvenue, mais pas nécessaire. De bonnes connaissances théoriques en électronique et en mesures RF sont requises. Des compétences en informatique sont aussi requises, notamment en programmation et développement logiciel.
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Thanks to their unrivalled performance, particularly in terms of sensitivity which can approach the quantum limit given by the photon noise, combined with their unique physical properties linked to the superconducting phenomena of the materials of which they are made, superconducting devices can deliver ultimate performance over a wide range of applications including high sensitivity detectors of electromagnetic radiation from the far infrared to X-rays and gamma rays for astronomy and astrophysics. In the early 2000s, a new type of high-performance detector called MKID (Microwave Kinetic Inductance Detectors), operating at very low temperatures (below 100 mK), was invented by research teams at Caltech and JPL-NASA (USA).

MKID is a inductance-capacitor oscillating circuit made from superconducting material. superconducting material. The arrival of photons causes a change in the characteristic frequency and the phase of the circuit. From this change, it is possible to detect the arrival of the photon, and, with a suitable calibration, to infer its energ. These detectors can be operated in photon-counting mode and open the possibility to perform spectrophotometry without inserting any dispersive element in the optical path. MKID frequency multiplexing enables the implementation of arrays comprising several thousand pixels, which can be read in parallel by a single reading line. Here, each pixel, or LC circuit, has its own resonant frequency. MKIDs are an innovative detection technology that will open up a wide range of applications in astronomy et astrophysics.

Since 2020, we have been developing at Paris Observatory the first instrument (SPIAKID) employing this technology [1]. It is a spectro-photo-imager that will be mainly dedicated to the observation and study of ultra-compact and ultra-faint galaxies in the Local Group. The instrument will use up to four MKID arrays, each with 20 000 pixels, arranged in a mosaic in the focal plane to achieve a field of view of several arcminutes across the sky.

However, current MKIDs show a low resolution power R = λ/Δλ of 4 [2]. This must be improved and increased to 20 at around 550 nm to meet the requirements of the new AMINO project (Advanced Multi-spectral Imaging using Novel wavefront sensors with Optical photon-counting detectors). This can be achieved by improving detector performance and implementing new signal processing algorithms. Led by Paris Observatory, AMINO will enable multispectral imaging using new wavefront analysers with MKIDS operating in photon counting mode. These new MKIDs will be designed for the detection and study of exoplanets.

The PhD student will be involved in the development of MKID detectors. Close interaction with the teams involved in the AMINO project is also necessary in order to properly define the algorithms required for data processing to improve detection performance. In this context, the PhD student will also be expected to familiarise themselves with the astrophysical context for which MKID sensors are being developed.

All these activities, at the interface between instrumental research and astrophysics, call for a profile combining both specialized and cross-disciplinary skills. In this case, a sound knowledge of physics is essential. A good knowledge of the superconductivity is welcome, but not necessary. Good theoretical knowledge of electronics and RF measurements is required. Computer skills are also required, particularly in programming and software development.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Autre financement ou appel a projet

Observatoire de Paris

127 Astronomie et Astrophysique d'Ile de France

Le sujet de thèse se situe à l'interface de la recherche instrumentale et de l'astrophysique et suppose un profil mêlant des compétences à la fois pointues et transverses. En l'occurrence, une connaissance solide en physique est nécessaire. Une bonne connaissance du phénomène de la supraconductivité sera la bienvenue, mais pas nécessaire. De bonnes connaissances théoriques en électronique et en mesures RF sont requises. Des compétences en informatique sont aussi requises, notamment en programmation et développement logiciel.
The thesis topic is at the interface between instrumental research and astrophysics and call for a profile combining both specialized and cross-disciplinary skills. In this case, a sound knowledge of physics is essential. A good knowledge of the superconductivity is welcome, but not necessary. Good theoretical knowledge of electronics and RF measurements is required. Computer skills are also required, particularly in programming and software development.