Thèse Capteur de Force Ultra-Sensible avec des Nanoparticules en Lévitation H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique
École doctorale : Ondes et Matière
Laboratoire de recherche : Laboratoire Lumière, Matière et Interfaces
Direction de la thèse : Loïc RONDIN ORCID 0000000248332886
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

Le développement de capteurs de force toujours plus sensibles est essentiel, tant sur le plan applicatif (accéléromètres de smartphones, gravimètres pour le suivi du climat terrestre [1], etc.) que sur le plan fondamental (mesure de forces au-delà du Modèle Standard [2]). Pour répondre à ces enjeux, il est nécessaire de disposer d'un capteur de force simple, robuste et extrêmement sensible. Une approche prometteuse repose sur la lévitation de particules sous vide, qui permet d'atteindre des sensibilités très élevées grâce au faible couplage entre la particule et son environnement.
La lévitation utilise un piège optique, où les forces associées à un faisceau laser permettent de confiner une nanoparticule au foyer d'un objectif. La particule se comporte alors comme un oscillateur mécanique de très haute finesse, ce qui la rend particulièrement sensible à l'action d'une force externe. Ce système s'est également récemment révélé un outil exceptionnel pour l'observation d'effets quantiques à l'échelle mésoscopique [3].
Dans ce contexte, ce projet vise à développer un capteur de force basé sur la lévitation optique et à étudier sa sensibilité, notamment pour la mesure de la gravité.
Ce projet s'appuiera sur les avancées récentes du laboratoire et sur la dynamique internationale de recherche autour de la lévitation de particules, motivée non seulement par les propriétés remarquables de ce système pour la mesure de forces, mais aussi par son potentiel pour explorer l'interaction entre la gravité et la physique quantique [4]. Il ouvrira la voie au développement d'un capteur inertiel innovant, doté d'une sensibilité inédite, en repoussant les limites classiques et quantiques de la mesure des forces.

La lévitation optique de nanoparticules combine une sensibilité de mesure optique ultra-fine et un découplage efficace de l'environnement, permettant d'atteindre des facteurs de qualité mécanique exceptionnels à température ambiante et de faciliter le refroidissement des particules dans leur état quantique. Cette approche ouvre ainsi la voie au développement de capteurs de force ultra-sensibles, avec des applications directes en mesures inertielles, mais aussi des perspectives plus fondamentales, telles que l'étude des effets combinés de la gravitation et de la mécanique quantique.

À ce jour, les premières preuves de principe de capteurs de force basés sur la lévitation optique ont été démontrées. L'objectif de ce projet est d'étendre ces résultats vers la réalisation d'un capteur offrant des sensibilités compétitives par rapport aux systèmes existants, tout en explorant de nouvelles frontières en métrologie quantique et en physique fondamentale.

Ce projet de recherche vise le développement d'un capteur de force innovant, fondé sur la lévitation optique de nano- et microparticules en milieu sous vide. Il vise à explorer les limites fondamentales de sensibilité d'un tel dispositif, ainsi qu'à évaluer son potentiel pour des applications en mesures inertielles et/ou en gravimétrie, en particulier pour un objet quantique macroscopique.