Vers des systèmes opto-mécaniques et mesures de haute précision à base de cristaux dopés aux terres rares

Towards optomechanical systems and high precision measurements with rare-earth doped crystals

• Auteur / Autrice : Nicolas Galland
• Direction : Signe Louise Seidelin, Yann Le Coq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 20/12/2019
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble, Isère, France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Denis Boiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Loïc Morvan, Patricia Segonds
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anne Louchet-Chauvet, Martina Knoop

Mots clés

Mots clés contrôlés

Creusement de trous spectraux

Mots clés libres

Cristaux dopés en terres rares

Nanotechnologies

Optomécanique

Intéraction lumière-Matière

Rare-Earth doped crystals

Nanotechnologie

Optomechanics

Light-Matter interaction

Résumé

L’objectif de ce manuscrit est de présenter les travaux qui ont été réalisés dans le but d’utiliser des trous spectraux brûlés dans le spectre de cristaux dopés par des ions de terres rares pour réaliser un couplage opto-mécanique avec un micro-résonateur. Un tel couplage pourrait permettre d’étudier certaines propriétés de cet objet mécanique au niveau quantique. Une telle étude ouvre la voie à plusieurs applications potentielles dans le domaine de l’information quantique, de la physique fondamentale ou de mesures de force à haute sensibilité.La transition 7F0-5D0 pour des ions europium utilisés comme dopants dans un cristal d’orthosilicate d’yttrium présente un élargissement inhomogène pouvant atteindre 2 GHz pour 0.1 % de dopage en raison des imperfections de la maille cristalline. En maintenant le cristal à une température inférieure à 5 K, il est possible en utilisant un laser de largeur de raie suffisamment fine, de réaliser une fenêtre de transmission étroite, liée à la largeur homogène de la transition, autour d’une fréquence arbitraire dans ce spectre et pouvant persister plusieurs heures. La création de telles structures, nommées trous spectraux brûlés, est rendue possible par le pompage optique d’une certaine classe d’ions vers des états sombre dont la durée de vie peut atteindre plusieurs jours à 4 K.Le développement d’une nouvelle méthode de suivi en fréquence de ces trous brûlés basée sur la détection double hétérodyne d’un signal dispersif est présentée, ainsi qu’une mesure de sensibilité de la fréquence des trous brûlés à des variations de contraintes mécaniques uniaxiales. Cette mesure est intéressante pour le dimensionnement du résonateur et pour évaluer une limite supérieure au bruit de détection à ne pas dépasser pour pouvoir observer l’effet du couplage avec un résonateur mécanique.Une première étude d’un système optique permettant de réaliser des trous brûlés à la base d’un micro-résonateur en forme de poutre en porte-à-faux est également donnée.Enfin, une étude de l’effet de l’amélioration de la méthode de détection et du contrôle environnemental sur la stabilité en fréquence des trous brûlés à été menée.

The purpose of this document is to present the work that has been done in order to use spectral holes burnt in the absorption spectrum or rare-earth doped crystals to create an optomechanical coupling with a micro-resonator. By doing so, the objective is to study quantum properties of a macroscopic mechanical object. Such a study could be of great interest in the field of quantum information, fundamental physics or high sensitivity sensing.The 7F0-5D0 transition of europium ions used as a dopant in an yttrium orthosilicate crystal show an inhomogeneous broadening of the resonance that can reach 2 GHz for 0.1 % doping due to imperfection of the crystalline matrix. By maintaining the crystal below 5 K, one can use a narrow linewidth laser to create a persistent narrow transmission window, dependent on the homogeneous linewidth of the transmission, at any chosen frequency within the absorption spectrum. Such structures, called spectral holes, are made possible by optically pumping a given class of ions into dark states whose lifetime at 4 K can reach tens of hours.The development of a new method to follow the frequency of spectral holes, based on double heterodyne detection of a dispersive signal is presented, as well as a measurement of the spectral hole frequency sensitivity to uniaxial constraints applied to the crystal. This measurement is useful to properly design the resonator and can provide an upper limit to the detection noise in order to see an effect of the coupling with this resonator.A first study of the optical setup necessary to burn spectral holes at the base of a 10x10x100 µm cantilever resonator is given.Finally, the influence of the new detection scheme on the frequency stability measurement of spectral holes is discussed.