Cette thèse fait partie du projet ANR MAXSAW qui vise à développer des nouveaux composants fonctionnant dans le domaine RF, adaptés aux nouvelles fréquences 5G. Les filtres à ondes acoustiques de surface (SAW) sont largement utilisés pour distinguer les différentes fréquences des signaux RF. Malheureusement, la fréquence des filtres SAW classiques est limitée à 3,7 GHz. Les couches minces épitaxiales de LiNbO₃ sur du saphir accueillent des ondes acoustiques guidées qui répondent à la demande d'atteindre des fréquences et une efficacité plus élevées.

Nous avons tout d’abord produit des couches minces de LiNbO₃ sur des substrats de saphir. Des films minces de bonne qualité cristalline ont été obtenus. Nous avons aussi étudié leurs propriétés acoustiques par le biais de simulations et confirmé les fréquences pouvant être atteintes avec ces structures.

Puis, nous avons simulé, conçu et caractérisé des résonateurs SAW basés sur les couches minces de LiNbO₃ déposées sur saphir et les avons comparés à l’état de l’art. Des dispositifs acoustiques prometteurs ont été obtenus. Pour finir, une application au projet MAXSAW est présentée.

niobate de lithium, ondes acoustiques de surface, piézoélectricité, caractérisation électrique, propriétés physiques, piézoélectricité, ondes acoustiques, niobate de lithium

La thèse est sous embargo jusqu’au 23/09/2026.

Le développement de filtres RF à large bande fonctionnant à haute fréquence est urgent pour la mise en place de l'infrastructure de communication de la 5^e génération (5G). Le LiNbO3 est un matériau prometteur pour l'intégration dans des résonateurs/filtres à ondes acoustiques de volume (BAW) adaptés aux applications à haute fréquence en raison de ses s propriétés piézoélectriques élevées. Cependant, l'intégration de ce matériau implique généralement des techniques d’implantation ionique/polissage de monocristaux, ce qui pose des problèmes d'homogénéité d'épaisseur et donc de production à l'échelle industrielle.

Dans cette thèse, nous avons étudié l'intégration de films minces de 32.8°Y-LiNbO₃ à couplage élevé, déposés par DLI-CVD, dans des résonateurs BAW. Nous avons d'abord optimisé la croissance de la phase pure de LiNbO₃ avec une croissance texturée (01-12). Nous avons ensuite évalué les propriétés ferroélectriques, pyroélectriques et piézoélectriques des films LN obtenus, avec des valeurs de P_s = 52 μC/cm², pi = 60 μC/m². K et e_(31,f) = -2.81 C/m², comparables à celles du monocristal de LN.

Ensuite, nous avons optimisé le processus de fabrication pour l'intégration dans une structure HBAR afin d'évaluer les performances des films croît. Les HBARs ont démontré un k_eff² allant jusqu'à 22,4 % à une fréquence de résonance de 5,6 GHz. Pour intégrer les films dans des SMRs, nous avons d'abord optimisé la croissance et étudié la stabilité thermique du réflecteur de Bragg ZnO/Pt. Ce réflecteur a ensuite été utilisé pour fabriquer des SMRs basés sur le 32.8°Y-LN. La caractérisation électrique des SMRs fabriqués a montré des résonances à des fréquences dans la gamme de 5,2 à 5,7 GHz, indiquant un grand potentiel pour les applications de filtrage RF à haute fréquence.

niobate de lithium, filtres piézoélectriques, piézoélectricité, couches minces, CVD, résonateurs BAW, propriétés structurales

Thèse confidentielle jusqu’au 03/10/2034.

Les matériaux piézoélectriques sans plomb sont activement étudiés pour la récupération d'énergie, ainsi que les capteurs et les dispositifs d'ondes acoustiques haute fréquence. Dans ce manuscrit, différentes architectures et processus de microfabrication basés sur les cristaux piézoélectriques de LiNbO₃ et de KTa1-xNb_xO₃ sans plomb sont étudiés.

Dans une première partie, un récupérateur d'énergie de LiNbO₃ sur un substrat en silicium est fabriqué en utilisant le collage et le polissage de wafer. Les transducteurs ont atteint l'une des densités de puissance les plus élevées (965 μW/cm²/g²) par rapport aux dispositifs de récupération vibratoire avec ou sans plomb. Ensuite, la scalabilité du LiNbO3/Si vers les dispositifs de technologie MEMS est étudiée avec la gravure du LiNbO₃ et du silicium. La gravure du LiNbO₃ a été réalisée en mettant en œuvre une gravure ionique réactive en mode pulsé en utilisant les gaz Ar et SF₆. Un capteur accélérométrique a été démontré.

Dans une deuxième partie, notre intérêt s'est tourné vers les substrats métalliques flexibles. Une grande avancée a été réalisée en adaptant la technologie de collage Au-Au du LiNbO3 aux substrats métalliques. Les performances d'une poutre bimorphe de LiNbO₃-acier inoxydable-LiNbO3 ont atteint 209,7 μW/cm²/g² à 39,3 Hz.

Enfin, nous étudions des matériaux piézoélectriques alternatifs sans plomb KTa1-xNb_xO₃, pour une application dans les dispositifs SAW. Tout d'abord, une caractérisation structurelle et microstructurale du cristal a été effectuée, suivie de la fabrication et de la caractérisation d'un résonateur SAW simple port. Un couplage électrotechnique de 80 % a été obtenu, tandis que 49 % a été obtenu pour les résonateurs KNbO₃.

microfabrication, matériaux piézoélectriques, ondes acoustiques de surface, énergie, conversion directe, niobates et tantalates alcalins, récupération de l'énergie piézoélectrique, résonateur SAW

Thèse confidentielle jusqu’au 15/07/2034.

Cette thèse explore le développement d'un laser transportable à largeur de raie ultra fine intégrant une cavité Fabry-Pérot de haute finesse. La cavité est fabriquée à partir d'un verre ULE à très faible expansion thermique avec des miroirs en silice fondue contactés optiquement, visant à minimiser les perturbations thermiques et mécaniques et à améliorer la stabilité de la fréquence. Une nouvelle méthode numérique de stabilisation de fréquence utilisant une plateforme FPGA est introduite, visant une stabilité relative de fréquence de 1×10^-15 à 1 s. Cette approche contraste avec les systèmes analogiques traditionnels en offrant une stabilité accrue et une complexité réduite. L'étude examine également plusieurs limitations des lasers ultra-stables comme le bruit de phase, le bruit thermique, etc. et plusieurs approches pour atténuer ces sources de bruit. En outre, un système de distribution de fréquences optiques utilisant des boucles à verrouillage de phase basé sur un FPGA et des liaisons par fibre optique est détaillé, garantissant une transmission stable du signal sur des distances de laboratoire.

référence de fréquence optique, métrologie temps fréquence, oscillateur ultra-stable, banc de mesure de bruit de phase optique, stabilisation de fréquence laser

Consulter la thèse (EN) : TEL-04823081

Les horloges optiques ont atteint des précisions proches de 1×10⁻¹⁸. Elles sont utilisées dans diverses applications, comme la géodésie chronométrique, les tests de Relativité Générale, la recherche de nouvelles physiques au-delà du Modèle Standard, ainsi que pour la redéfinition de la seconde.

Parmi les espèces neutres, le mercure présente plusieurs avantages pour une horloge à réseau optique, notamment une faible sensibilité au rayonnement de corps noir et une pression de vapeur élevée à température ambiante. Jusqu’à présent, l’isotope fermionique ¹⁹⁹Hg était le seul utilisé dans ces horloges, mais sa durée de vie limitée dans l’état excité empêche d’exploiter pleinement le potentiel des nouveaux lasers ultra-stables. L’utilisation d’isotopes bosoniques permet de contourner cette limite grâce à une durée de vie potentiellement illimitée.

Cette thèse présente la première observation de la transition bosonique ¹⁹⁸Hg dans une horloge à réseau optique, grâce à plusieurs avancées expérimentales et la recherche d’une transition étroite dans une large plage d’incertitude. La transition de l’horloge bosonique est interdite, mais peut être induite par un champ magnétique élevé via la méthode du quenching. Cela permet des temps d’interrogation plus longs, ajustables aux propriétés du laser. Le premier défi a été de développer un système capable de générer un champ magnétique suffisamment fort pour induire cette transition avec un couplage maximal. Un autre défi était de concevoir un laser d’interrogation accordable et flexible, tout en maintenant un bruit faible, permettant ainsi d’interroger n’importe quel isotope sans bruit supplémentaire. Puisque le couplage augmente avec la puissance du laser, une étape cruciale a été d’augmenter la puissance de notre source UV ultra-stable.

Malgré ces avancées, des calculs ont montré que le couplage restait faible, rendant la transition difficile à trouver sur une large plage de fréquences. Diverses mesures et vérifications ont été effectuées, notamment un alignement précis avec l’isotope ¹⁹⁹Hg, pour maximiser les chances de succès. Grâce à ces efforts, la transition ¹⁹⁸Hg a été trouvée, marquant la première observation d’une transition d’isotope bosonique du mercure.

Suite à cela, le fonctionnement de horloge avec l’isotope bosonique ¹⁹⁸Hg a été établi, atteignant une stabilité de 10⁻¹⁵ à 1 s. Plusieurs études ont été réalisées, notamment la mesure du coefficient du déplacement Zeeman quadratique avec une précision permettant de le contrôler à 10⁻¹⁷ ou mieux. Et plusieurs études ont débuté sur d’autres effets systématiques comme le déplacement lumineux, le déplacement collisionnel et celui dû à la lumière du réseau, ainsi que la mesure de la longueur d’onde magique du ¹⁹⁸Hg. Une première comparaison avec le ⁸⁷Sr a permis d’atteindre une stabilité de 1,2×10⁻¹⁵ à 1 s, ouvrant la voie à une première mesure du rapport de fréquence ¹⁹⁸Hg/⁸⁷Sr. Les travaux sur l’isotope bosonique mèneront prochainement à la possibilité de mettre en œuvre des méthodes d’interrogation plus sophistiquées (spectroscopie hyper-Ramsey), ce qui permettra d’améliorer l’incertitude jusqu’à la limite du dispositif expérimental actuel.

Cette thèse présente également les analyses et résultats obtenus avec l’isotope fermionique ¹⁹⁹Hg lors d’une comparaison d’horloges par lien fibré réalisée avec plusieurs instituts européens en mars/avril 2023.

horloge à réseau optique, mercure, isotope fermionique et bosonique

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Cette thèse présente les derniers travaux réalisés sur le gravimètre absolu à atomes froids du LNE-SYRTE. Pour mesurer g, cet instrument, le CAG, réalise un interféromètre atomique à l’aide d’impulsions Raman sur un nuage d’atomes froids de rubidium 87 en chute libre. L’incertitude de mesure du CAG est limitée par le faisceau Raman, son profil de phase et d’intensité. Durant la thèse, l’instrument a été déménagé à l’Observatoire de Paris pour y apporter des améliorations afin de réduire ces effets et repousser les limites du CAG. Après une remise en route de l’instrument qui a permis d’atteindre des sensibilités similaires aux précédentes de 20×10⁻⁹·g Hz^−1/2, nous avons repris et poursuivi les études liées au faisceau Raman.

Le manuscrit détaille les travaux menés pour étudier la stabilité de puissance dans chacun des deux faisceaux Raman, ainsi que l’impact des inhomogénéités du profil d’intensité. Une étude du profil d’intensité, et en particulier de ses défauts, a permis d’étudier en détail le contraste. En effet, ces défauts sont une source d’inhomogénéité du déplacement lumineux sur le nuage d’atomes, causant une perte de contraste et pouvant amener à limiter la sensibilité. Ce phénomène entraine également un biais sur la mesure de g, de l’ordre de 5×10⁻⁹·g, qui n’est pas éliminé de l’algorithme de mesure et doit donc être pris en compte dans le bilan d’incertitude. Des premiers résultats sont également présentés sur le contrôle optimal de transitions Raman, par la mise au point d’une méthode expérimentale pour améliorer l’efficacité des transitions, et donc le contraste de l’interféromètre.

interférométrie atomique, gravimètre, capteur inertiel, atomes froids

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Les lasers ultra-stables basés sur le technique de trous brulés spectraux constituent une alternative prometteuse pour surmonter la limitation du bruit thermique dans le schéma traditionnel de cavité Fabry-Perot ultra-stable. Dans cette thèse, un cristal Eu³⁺Y₂SiO₅ à des températures cryogéniques est utilisé pour réaliser des trous spectraux étroits comme référence de fréquence.

Un schéma de détection multi-hétérodyne flexible et polyvalent basé sur radio logiciel est réalisé pour obtenir de faibles bruits de détection. Le cristal est refroidi à des températures inférieures à 1 K pour obtenir de meilleures performances en bruit et en sensibilité thermique. Parallèlement, certaines propriétés pertinentes des trous spectraux sont caractérisées dans ce régime de température, et des propriétés intéressantes, non prévues par des modèles théoriques simples sont mises en évidence.

En outre, un phénomène inédit est observé et analysé de façon préliminairement sur la base de plusieurs mesures de caractérisation, fournissant de nouvelles informations pour comprendre le système du cristal Eu3+Y2SiO5.

De façon remarquable, la stabilité de fréquence fractionnelle du laser, asservi sur des trous spectraux, a été améliorée de manière encourageante à 4(1)×10⁻¹⁶ à 1 s, soit environ 2 fois mieux que les meilleurs résultats publiés précédemment. Ceci fournit des preuves convaincantes du potentiel de l’approche des trous brûlés spectraux pour de futures applications métrologiques.

laser ultra-stable, Eu:YSO, trou spectral, métrologie des fréquences

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La matière noire ultralégère (avec pour acronyme anglais ULDM), classe de candidats de matière noire de faible masse (plus petites que 1 eV), constitue une alternative pertinente aux modèles historiquement dominants, tels que les WIMPs, et a récemment fortement attiré l’attention de la communauté scientifique. Dans cette thèse, nous étudions de nombreuses stratégies expérimentales pour la détection directe d’ULDM, au sol et dans l’espace. Plus précisément, nous proposons une modélisation théorique d’expériences actuelles et futures, et nous dérivons une estimation de leurs sensibilités respectives.

Nous nous concentrons principalement sur trois types de phénoménologies.

La première consiste en une interaction entre un candidat de matière noire vectoriel, plus communément appelé photon noir (DP), et l’électromagnétisme, qui induit un faible champ électrique oscillant à la fréquence de Compton du DP. Nous proposons d’abord une méthode innovante pour détecter ce petit champ électrique, qui consiste à mesurer l’effet Stark quadratique sur des atomes de Rydberg, piégés au centre d’une cavité micro-onde. Nous montrons qu’une telle expérience aurait une sensibilité lui permettant d’être compétitive avec les expériences de laboratoire existantes. Une autre façon de détecter ce champ électrique consiste en l’utilisation d’une antenne parabolique qui le réfléchit et concentre ainsi la puissance électromagnétique en son centre de courbure, où l’on place une antenne cornet (par exemple, l’expérience SHUKET au CEA Saclay). Nous investiguons analytiquement les effets de diffraction et de couplage de mode dans ce type de configuration, et nous montrons que l’intensité du signal attendu peut être significativement réduite comparativement aux estimations habituelles. Dans cette étude, nous proposons aussi une optimisation des paramètres expérimentaux pour augmenter le signal.

La seconde phénoménologie d’intérêt pour cette thèse est l’oscillation de la masse et de la fréquence de transition d’atomes ou de masses tests. Ces oscillations pourraient être produites par le couplage non universel entre les particules du Modèle Standard et un candidat scalaire de matière noire, comme le dilaton ou l’axion. Nous étudions en détail l’impact de ces oscillations sur plusieurs variations d’interféromètres atomiques et sur des expériences de tests classiques de l’universalité de la chute libre, et nous démontrons comment ces différentes expériences pourraient sonder des régions inexplorées de l’espace des paramètres. Ces oscillations de masse au repos pourraient aussi être observées à l’aide de détecteurs spatiaux d’ondes gravitationnelles, comme LISA, et nous investiguons la possibilité d’une telle détection en utilisant des orbites réalistes pour le détecteur. En particulier, en utilisant des méthodes bayésiennes, nous montrons que LISA pourra en effet séparer un signal de matière noire d’un signal d’ondes gravitationnelles. Nous montrons aussi que la faible vitesse de l’onde de matière noire n’est pas résoluble sur la majorité de la bande de fréquences de LISA, ce qui induit une diminution de la sensibilité de l’expérience aux constantes de couplage de la matière noire scalaire par rapport aux estimations précédentes.

Enfin, nous étudions la biréfringence du vide induite par l’interaction entre les photons et les axions, et nous nous intéressons à sa possible détection à l’aide de cavités optiques, de fibres optiques et de LISA. En particulier, nous montrons qu’une légère modification des bancs optiques de LISA lui permettrait de devenir l’expérience la plus sensible à ce couplage à faibles masses.

matière noire ultralégère, axion, dilaton, photon noir, capteur quantiques, horloge atomique, interférométrie atomique, interférométrie optique, LISA, principe d’équivalence, physique fondamentale

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Depuis le début du 20^e siècle, les observations géodésiques permettent de suivre les variations de la rotation de la Terre et ainsi d’étudier les effets dynamiques externes et internes à l’origine de ces variations. Les années 1980 ont vu les toutes premières tentatives d’estimation des variations sub-diurnes de la rotation terrestre grâce aux sessions intensives VLBI. Elles ont été suivies par des campagnes d’observation continue (CONT) du réseau VLBI puis les traitements des observations du GNSS. Alors que la capacité du réseau VLBI à estimer la variation subdiurne de la rotation de la Terre est encore limitée par la fréquence insuffisante des sessions d’observation régulières, le GNSS est avantagé par un réseau plus étendu et de ses observations beaucoup plus fréquentes.

Dans ce travail, nous utilisons les données de la constellation américaine GPS et de la constellation européenne Galileo couvrant la période 2017 à 2022 pour déterminer à la fois des solutions mono-constellation et des solutions multi-GNSS des ERP avec une résolution horaire avec le logiciel GINS/DYNAMO, développé et maintenu par le centre d’analyse français IGS GRG, géré par le CNES/CLS. Le choix de cette période assure une performance comparable entre les deux constellations. Nous avons testé les contraintes pour bloquer la bande rétrograde diurne (la nutation par convention).

Nous avons trouvé leur application bénéfique pour la détermination des autres bandes sub-diurnes, c’est-à-dire la bande diurne prograde et semi-diurnes prograde et rétrograde. Nous montrons également que pour une estimation horaire de UT1, il est nécessaire et suffisant de fixer les valeurs de UT1 à celles déterminées par les observations VLBI une fois par jour. Nous avons validé les solutions en comparant les réseaux terrestres et célestes résolus en même temps que les solutions ERP horaires aux réseaux des solutions finales GRG dans le cadre de la campagne IGS Repro3. Nous comparons les deux constellations par des analyses spectrales et harmoniques. Les séries temporelles des ERP après avoir retiré des effets de marées océaniques sont confrontées aux excitations géophysiques qui résultent de la circulation atmosphérique et océanique non-“maréale”, ainsi qu’à un développement harmonique dérivé des observations VLBI.

En parallèle, nous avons développé un nouveau modèle des effets sub-diurnes produits par les marées océaniques sur les ERP en nous fondant sur les derniers développements de la théorie du mouvement du pôle et de l’atlas des marées océaniques FES2014b. Une comparaison de ces résultats avec le développement harmonique VLBI met en évidence l’existence des termes de libration résultant de l’effet des marées luni-solaire sur la distribution asymétrique de la masse de la Terre dans le mouvement du pôle et l’UT1.

GNSS, mouvement du pôle, rotation de la Terre, marée océanique

Consulter la thèse (EN) : TEL-04792592

Ce manuscrit présente les premières mesures de force à faible distance entre un atome et une surface, qui constituait l'objectif à terme du projet Forca-G.

La mesure de force est réalisée par interférométrie avec des atomes piégés dans les puits de potentiel formés par un réseau optique vertical. Des transitions Raman stimulées permettent de mesurer la différence d'énergie entre deux puits, c'est-à-dire la force appliquée sur les atomes. En déplaçant les atomes à différentes distances du miroir de manière contrôlée à l'aide d'un ascenseur de Bloch, il est possible de mesurer les variations des forces de surface avec une résolution spatiale de l'ordre du micromètre. Au voisinage de la surface, une sensibilité sur la mesure de force de 3,4×10^-28 N a été atteinte, à l'état de l'art pour les mesures de force de surface. À des distances de séparation atome-surface inférieure à la centaine de micromètres, des forces électrostatiques dominent, liées aux champs électrostatiques générés par des atomes adsorbés sur la surface. En modélisant ces champs, une autre force est mise en évidence : la force de Casimir-Polder. Ces champs électriques parasites ont pu être mesurés directement avec les atomes piégés, permettant de corriger, quoiqu’imparfaitement, les mesures de l'impact des forces électrostatiques.

Enfin, nous avons montré que l'amplitude et le sens des forces atomes-surface étaient modifiés par l'illumination de la surface par de la lumière UV, qui entraîne la charge la surface.

quantique, interféromètre, atomes froids, Casimir-Polder, atomes piégés

Consulter la thèse (FR) : TEL-04680406