Thèse Couplage Spin-Mecanique dans le Régime des Bandes Latérales Résolues H/F

Ecole normale supérieure - PSL

Établissement : Ecole normale supérieure - PSL
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure
Direction de la thèse : Gabriel HÉTET ORCID 0000000247590939
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-06-30T23:59:59

Le contrôle du mouvement de particules macroscopiques piégées dans le régime quantique a fait l'objet d'intenses recherches au cours des dernières décennies. Un jalon particulièrement remarquable a récemment été atteint avec le refroidissement à l'état fondamental du mouvement d'une particule piégée. Cette avancée ouvre la voie à l'exploration de phénomènes quantiques dans des systèmes mécaniques massifs et constitue une étape importante vers la manipulation cohérente de degrés de liberté mécaniques.

Cependant, la génération d'états non gaussiens du mouvement mécanique - tels que le premier état de Fock phononique ou des superpositions macroscopiques de type chat de Schrödinger - reste aujourd'hui un défi majeur. Une approche prometteuse consiste à transférer la nature quantique d'un système à deux niveaux bien contrôlé vers le degré de liberté mécanique d'un oscillateur. Ce transfert peut être réalisé en couplant le spin d'un défaut ponctuel dans un solide au mouvement mécanique d'un objet piégé.

Les cristaux de diamant contenant des centres NV constituent une plateforme particulièrement attractive, car ils offrent un degré de liberté de spin manipulable optiquement et des propriétés mécaniques remarquables. Le couplage spin-mécanique peut être réalisé à l'aide de gradients de champ magnétique qui convertissent les déplacements mécaniques en variations d'énergie de spin. L'équipe diamant du LPENS a démontré plusieurs résultats clés en direction de cet objectif et a notamment montré que les spins électroniques imposent une limite importante à l'efficacité du couplage spin-mécanique en raison de leur temps de cohérence relativement court. Cela motive l'exploration de stratégies basées sur les spins nucléaires, dont les temps de cohérence sont beaucoup plus longs.

Programme de doctorat.
Au cours de la première année, le doctorant mettra en place un dispositif visant à réaliser une injection quasi déterministe de particules dans le piège. Le dispositif reposera sur la désorption acoustique induite par laser suivie d'un guide quadrupolaire permettant d'acheminer les particules vers la région de piégeage. Différents matériaux seront testés afin de valider la méthode, notamment des particules de grenat d'yttrium fer (YIG), qui présentent une résonance magnétique de haute qualité, ainsi que des diamants synthétisés par CVD par nos collaborateurs.

La deuxième année sera consacrée au développement d'expériences de résonance magnétique nucléaire (RMN) avec des diamants piégés. Les états fondamental et excité du centre NV sont des états triplets définissant un axe de quantification naturel le long de la direction N-V. Le spin électronique peut être polarisé optiquement dans l'état ms=0 à l'aide d'un laser vert. Les spins nucléaires des particules de diamant seront polarisés à environ 500 G, au voisinage du point d'anti-croisement de l'état excité, permettant un transfert efficace de polarisation. Cette étape sera réalisée sur une lamelle de quartz avant l'injection des particules dans le piège par désorption laser.

La troisième année portera sur l'étude des forces dépendantes du spin nucléaire et leur utilisation pour sonder le mouvement du centre de masse des particules piégées. Les spins nucléaires, notamment ceux du 13C présents dans le diamant, seront détectés par RMN dans des gradients de champ magnétique dans la continuité du travail de thèse de Louis Chambard. Le compromis entre l'élargissement inhomogène induit par le gradient et la force effective du spin nucléaire sera étudié. Des approches exploratoires seront également testées, notamment la rotation de la particule à l'angle magique afin d'augmenter le temps de cohérence des spins nucléaires. Des vitesses de rotation de l'ordre du kHz peuvent être obtenues dans nos expériences à l'aide de champs électriques alternés, permettant potentiellement de réduire la décohérence de plus de deux ordres de grandeur.

Le contrôle du mouvement de particules macroscopiques piégées dans le régime quantique a fait l'objet d'intenses recherches au cours des dernières décennies. Un jalon particulièrement remarquable a récemment été atteint avec le refroidissement à l'état fondamental du mouvement d'une particule piégée. Cette avancée ouvre la voie à l'exploration de phénomènes quantiques dans des systèmes mécaniques massifs et constitue une étape importante vers la manipulation cohérente de degrés de liberté mécaniques.

Cependant, la génération d'états non gaussiens du mouvement mécanique - tels que le premier état de Fock phononique ou des superpositions macroscopiques de type chat de Schrödinger - reste aujourd'hui un défi majeur. Une approche prometteuse consiste à transférer la nature quantique d'un système à deux niveaux bien contrôlé vers le degré de liberté mécanique d'un oscillateur. Ce transfert peut être réalisé en couplant le spin d'un défaut ponctuel dans un solide au mouvement mécanique d'un objet piégé.

Transfert du spin d'un défaut ponctuel dans un solide au mouvement mécanique d'un objet piégé.

Microscopie confocale, pièges de Paul