Thèse Schémas de Spectroscopie Avancés pour une Horloge Optique à Ion Piégé. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Marie et Louis Pasteur École doctorale : SPIM - Sciences Physiques pour l'Ingénieur et Microtechniques Laboratoire de recherche : Franche Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies Direction de la thèse : Clément LACROUTE ORCID 0000000174734072 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-07-20T23:59:59 Les horloges optiques basées sur des transitions ultra-étroites dans les ions et atomes neutres piégés ont atteint des incertitudes relatives de l'ordre de quelques 10¹, ouvrant la voie à des applications majeures en géodésie relativiste et en tests de physique fondamentale. Cependant, les schémas d'interrogation actuels restent fondamentalement limités par (i) les déplacements AC Stark induits par la sonde et les fluctuations d'intensité, et (ii) la décohérence environnementale ainsi que le bruit basse fréquence, qui restreignent le temps d'interrogation et la stabilité à long terme. Les solutions existantes traitent généralement ces deux limitations séparément, conduisant à un compromis entre robustesse face aux déplacements systématiques et robustesse face au bruit.Le projet européen QUARCKS (QUAntum Robust hyper-ClocKs and atomic Sensors), cofinancé par l'UE, vise à démontrer une nouvelle classe d'« hyper-horloges » et de capteurs atomiques simultanément immunisés contre les déplacements induits par la sonde et fortement protégés contre la décohérence, grâce à des protocoles de type Hyper-Ramsey à découplage dynamique (DD HR). Ces protocoles vont au-delà des spectroscopies Rabi et Ramsey traditionnelles en utilisant des séquences d'impulsions composites avec des phases, fréquences et intensités optimisées. Leur principale caractéristique est leur robustesse : en annulant activement le bruit environnemental, QUARCKS rend les horloges moins dépendantes d'un environnement de laboratoire « parfait ». Il s'agit d'une étape clé vers des horloges optiques transportables et déployables sur le terrain, pour des applications en géodésie relativiste (mesure du potentiel gravitationnel terrestre), en navigation ou encore en synchronisation en réseau.Dans le cadre du projet QUARCKS, cette thèse a pour objectif d'étendre le temps de cohérence au-delà de la limite de déphasage dans une horloge à ion Yb unique piégé par un piège à électrodes de surface. L'objectif principal est de démontrer expérimentalement une extension d'un facteur 10 ou plus de ma durée d'interrogation effective par rapport à une interrogation Ramsey standard, en intégrant des séquences DD dans des schémas de type HR, et en vérifiant la cohérence via le contraste des franges et l'écart-type d'Allan. Un autre objectif est d'évaluer la robustesse face à un bruit technique réaliste. À cette fin, les protocoles d'interrogation HR généralisés seront d'abord testés et démontrés ; des impulsions DD de filtrage du bruit seront ensuite utilisées pour réduire la décohérence dans les expériences ; enfin, des séquences DDHR permettront d'évaluer le temps de cohérence obtenu.Cette thèse s'inscrit dans un projet d'horloge optique compacte basée sur la transition à 435,5 nm de l'ion Yb, avec pour cible une stabilité relative de fréquence inférieure à 10¹ à 1 s et un volume total de moins de 500 L. Le dispositif repose sur un piège à électrodes de surface similaire à ceux traditionnellement utilisés dans les expériences de traitement quantique de l'information (QIP), avec une grande distance ion-électrode pour réduire l'impact du chauffage anormal. Une puce microfabriquée sur mesure a été développée, basée sur des électrodes en Si dopé gravées sur une couche isolante de SiO. Cette puce a été caractérisée et présente à la fois des temps de piégeage longs et des taux de chauffage faibles.Les travaux de thèse porteront sur :- la mise en oeuvre du piège à ions et du banc de refroidissement laser, ainsi que l'implémentation des schémas Rabi et Ramsey traditionnels pour démontrer le fonctionnement de l'horloge ;- l'implémentation des schémas HR, en utilisant l'environnement Artiq (contrôle d'expérience basé sur FPGA) ;- la caractérisation de la durée de cohérence de la transition horloge, l'identification des principales sources de bruit, et la mise en oeuvre de séquences DD pour contrer la décohérence. Le travail de thèse sera réalisé au sein de l'équipe OHMS (Oscillateurs, Horloges, Métrologie et Systèmes) du département Temps et Fréquence de FEMTO-ST, dirigée par C. Lacroûte. L'équipe bénéficie d'une expertise mondialement reconnue dans le domaine de la métrologie du temps et des fréquences, avec un accès à la plateforme OSCILLATOR-IMP, qui comprend trois masers à hydrogène, trois horloges au césium, ainsi que des peignes de fréquence optiques et des cavités Fabry-Perot ultra-stables. Cette plateforme permet de mesurer le bruit de phase et les stabilités de fréquence des signaux optiques dans la gamme des 10¹ et au-delà. L'équipe est membre du premier cercle du réseau français de métrologie FIRST-TF et participe au projet REFIMEVE+, qui relie physiquement notre institut au laboratoire LTE à Paris.Cette thèse offrira au candidat l'opportunité d'acquérir un savoir-faire et une méthodologie expérimentale exceptionnels, dans un environnement scientifique de haut niveau. Le contexte de la métrologie des fréquences exige de maîtriser et de contrôler au mieux les sources de bruit du montage expérimental, une compétence extrêmement utile dans de nombreux autres domaines de recherche. Le candidat développera également une expertise dans le domaine des ions piégés, encore peu représenté en France mais très dynamique au niveau européen. L'objectif est la mise en place et le test de séquences de spectroscopie avancées de type 'dynamical decoupling' pour réduire la décohérence. Nous visons une stabilité relative de fréquence de 10-14 tau^(-1/2). L'expérience repose sur le piégeage d'ions uniques Yb+ par un piège de Paul surfacique, et le refroidissement Doppler. Le laser d'horloge est pré-stabilisé sur une cavité Fabry-Perot ultra-stable. Les séquences d'interrogation sont pilotées par FPGA (environnement ARTIQ) et la détection de la fluorescence des ions est effectuée par un tube photo-multiplicateur.

Nous recherchons des candidat.es avec une formation en physique atomique et/ou quantique, optique ou physique générale. Une expérience en expérimentation et/ou instrumentation sera un atout majeur, tout comme des connaissances en électronique analogique et/ou numérique. Nous attendons également du candidat qu'il/elle soit capable de travailler en équipe, d'organiser son propre planning et son travail, et ouvert(e) aux discussions critiques sur le projet. Il/elle évoluera au sein d'une équipe composée de chercheurs, ingénieurs et techniciens, et bénéficiera du soutien des services électronique, mécanique et informatique de l'institut FEMTO-ST, ainsi que de l'infrastructure d'excellence OSCILLATOR-IMP, dédiée à la métrologie du temps et des fréquences. Le/la candidat(e) présentera ses travaux lors de conférences internationales et visera des publications dans des revues scientifiques de renom.

• Électronique analogique