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.
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.
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.
La maitrise de l’information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n’est actuellement pas possible d’échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu’il est possible d’atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l’information. Ce protocole se base sur l’utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l’amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l’utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu’hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d’un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 µs, ce qui permet d’envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande.
Cette thèse se concentre sur l'étude des résonateurs optomécaniques intégrés dans le régime quantique. Ils constituent en effet une plateforme très prometteuse pour plusieurs applications quantiques telles que la détection quantique (exploitation des états non-classiques du mouvement pour augmenter la sensibilité), les mémoires quantiques (les résonateurs mécaniques ont démontré de très longues durées de vie) et les transducteurs quantiques (conversion de l'information quantique encodée dans les photons micro-ondes des qubits supraconducteurs en photons télécom par l'interaction avec un résonateur mécanique). Ce travail s'est concentré sur le développement d'un transducteur quantique électro-optomécanique intégré sur silicium sur isolateur (SOI) et compatible CMOS, et d'un montage optomécanique pour permettre son fonctionnement dans le régime quantique à l'avenir. En collaboration avec l'Institut Néel et le CEA LETI à Grenoble, nous avons donc conçu un cristal optomécanique (OMC) 1D suspendu, couplé mécaniquement à un cristal électromécanique (EMC) pour former des supermodes mécaniques dans la gamme de fréquence des GHz. Ces supermodes peuvent être adressés à la fois par une cavité optique (un mode de défaut optique confiné dans le OMC) et par un résonateur supraconducteur via le couplage capacitif assuré par le EMC. Néanmoins, pour réaliser des opérations quantiques avec un tel dispositif, il est nécessaire d'éviter l'ajout de photons provenant du bain thermique mécanique, et donc de préparer le résonateur mécanique dans son état fondamental de mouvement où l'occupation moyenne des phonons est proche de zéro. Nous avons donc mis au point un montage pour préparer comme preuve de concept un résonateur optomécanique, un disque optomécanique en arséniure de gallium (qui confine des modes de galerie optiques de haute qualité bien couplés à un mode de respiration radiale mécanique à haute fréquence autour de 1 GHz), dans son état de mouvement fondamental en le refroidissant à 10 mK à l'aide d'une réfrigération par dilution. Pour mesurer l'occupation moyenne des phonons, nous avons réalisé une thermométrie des bandes latérales par comptage de photons, qui implique deux lasers bleu et rouge désaccordés d'une fréquence mécanique par rapport à la résonance optique pour entraîner des interactions optomécaniques de type Raman. Les photons diffusés par le processus optomécanique à la résonance optique sont conservés et comptés sur un détecteur de photons uniques, et les photons pompes rejetés spectralement. Grâce à cette mesure, nous avons pu démontrer une occupation moyenne des phonons de nb=0,66+-0,20, confirmant la préparation de ce résonateur très proche de son état fondamental du mouvement. Enfin, nous avons proposé une nouvelle géométrie de résonateurs optomécaniques intégrés à forte coopérativité quantique dans le silicium et l'arséniure de gallium, appelée « microgear ».
La maitrise de l'information représente un avantage concurrentiel de nos jours. Malgré une intensification des moyens développés pour protéger les flux de données, il n'est actuellement pas possible d'échanger à distance et de façon complètement sure, une information entre deux interlocuteurs. Néanmoins, des travaux menés par Bennett et Brassard ont montré qu'il est possible d'atteindre un niveau de sécurité maximum en utilisant un protocole quantique de transmission de l'information. Ce protocole se base sur l'utilisation de réseaux télécom utilisant des répéteurs quantiques à la place des répéteurs classiques. La voie étudiée dans cette thèse, réalisée en partie dans le cadre du projet européen QuRep, a pour but l'amélioration des connaissances sur les monocristaux dopés aux ions de terre rare qui sont des candidats de choix pour la mise au point de répéteurs quantiques. Deux grands axes ont émergés : dans un premier temps nous avons essayé de comprendre quels sont les facteurs de succès et limitatifs dans l'utilisation du cristal de Nd : YSO en tant qu'hôte pour les mémoires quantiques avec pour objectif le transfert de la cohérence électronique vers des niveaux hyperfins. Dans un second temps, nous avons étudié un cristal présentant une structure hyperfine directement accessible en optique, Er : YLF afin de vérifier sa potentielle utilisation pour les mémoires quantiques. Ces travaux ont permis, entre autre, de réaliser un transfert de cohérence d'un niveau Zeeman électronique vers un niveau hyperfin avec un temps de stockage de plus de 300 μs, ce qui permet d'envisager une mémoire quantique dans Nd : YSO permettant de réémettre un photon à la demande
Les horloges à réseau optique montrent des performances impressionnantes et sont en train de soulever la question de la redéfinition de la seconde. Dans ces systèmes, un laser ultra-stable est utilisé en tant qu’oscillateur local pour sonder des transitions optiques très étroites d’atomes neutres piégés dans un réseau optique. La stabilité ultime de ces dispositifs, déterminée par le nombre d’atomes interrogés à chaque cycle et évaluée à quelques 10−17/sqrt(tau) (où tau est le temps d’intégration), n’est actuellement pas atteinte et est limitée à quelques 10−16/sqrt(tau) par les fluctuations de phase du laser sonde. Si l’amélioration des cavités ultra-stables sur lesquels sont stabilisés les lasers sonde est largement étudiée, le LNE-SYRTE a opté pour une approche plus récente, dans laquelle la référence de fréquence utilisée est un trou brûlé spectral creusé dans un cristal dopé terres rares refroidi à température cryogénique (environ 4 K). Une stabilité court terme de quelques 10−18 pourrait alors être atteinte. Cette thèse décrit la construction de l’expérience et montre ensuite les résultats d’une étude spectroscopique à haute résolution sur des trous brûlés spectraux étroits (FWHM = 3.3 kHz) creusés dans le cristal Eu3+ : Y2SiO5. L’influence du cryostat à cycle fermé sur la stabilité des trous brûlés spectraux est notamment mise en évidence et diminuée. Enfin, une méthode d’asservissement originale basée sur une détection hétérodyne d’un trou brûlé spectral et un asservissement numérique via un FPGA qui permet de verrouiller le laser sur le sommet du trou brûlé spectral étroit est décrit et montre une stabilité court terme de quelques 10−14, ce qui est un premier résultat encourageant pour la suite du projet.
Les cristaux dopés aux ions de terres rares sont des matériaux prometteurs pour le traitement de l’information quantique, grâce à la possibilité de réaliser des mémoires quantiques et des analyseurs spectraux large bande à basse température. De plus, il a récemment été démontré que le transfert de cohérence entre les spins électroniques et nucléaires pouvait être effectué avec une fidélité élevée dans ces matériaux, permettant d’envisager le stockage sur de longues échelles de temps. La possibilité d’agir directement sur le profil d’absorption de ces ions rend possible l’analyse de radiofréquences large bande et très haute résolution, ainsi que de nouvelles architectures de traitement du signal. Yb3+ possède des propriétés optiques remarquables dans Y2SiO5, notamment en termes de force d’oscillateur et de largeur inhomogène fine à faible concentration. Ce doctorat s’intéresse tout particulièrement à l’isotope 171Yb3+, qui est le seul ion de terre rare paramagnétique à spin nucléaire I=1/2, permettant d’avoir une structure énergétique relativement simple à exploiter. Grâce à la faible largeur inhomogène (≈1 GHz), les transitions de spin nucléaires sont résolues optiquement, ce qui maximise le pompage optique dans les niveaux de spin, et facilite les étapes de préparation dans les protocoles de traitement de l’information quantique.Le système 171Yb3+:Y2SiO5 est dotée de très bonnes propriétés en termes de temps de vie de cohérence, néanmoins limitée à basse température par des relaxations croisées entre spins voisins. Au lieu d’utiliser un champ magnétique pour réduire ces basculements réciproques, nous avons choisi de rester à champ magnétique nul, pour conserver le point ZEFOZ de notre système où les processus décohérents sont faibles, et nous avons utilisé une approche centrée sur le matériau pour repousser cette limite imposée par les relaxations croisées. Pour ce faire, la croissance de monocristaux a été effectuée au cours du doctorat par la méthode Czochralski, dont les paramètres peuvent être ajustés pour produire différentes propriétés au sein des échantillons produits. La qualité cristalline et l’environnement de l’ion sont optimisés pour augmenter la cohérence optique et de spin du système, ou encore pour améliorer la résolution et la bande passante pour l’analyse de signaux radiofréquences sur porteuse optique. Dans ces travaux de thèse, différents paramètres sont explorés dans le but d’identifier les conditions offrant les meilleures propriétés pour les applications visées : concentration en dopant, atmosphère de croissance, transition interrogée, orientation du cristal, et température du cryostat. Une étude approfondie du matériau a alors pu être menée selon ces conditions expérimentales. Malgré la plus grande sensibilité aux fluctuations électromagnétiques des ions de terres rares paramagnétiques, le temps de cohérence optique à champ nul le plus long, tout ion Kramers inséré dans YSO confondu, a été mesuré dans un cristal dopé à 2 ppm de 171Yb3+:Y2SiO5 élaboré sous atmosphère oxygénée, dépassant la milliseconde. Un moyen permettant de coupler efficacement 171Yb3+ à des plateformes photoniques intégrées a finalement été étudié, dans le but de compenser l’absorption intrinsèque faible des électrons 4f des ions de terres rares. Un monocristal dopé de LiNbO3 a été exploré pour la première fois, démontrant des propriétés prometteuses. Les grandeurs établies ici serviront de référence pour des travaux futurs dans ce matériau, dans lequel les procédés de nano-fabrication de guides d’onde ou de résonateurs optiques sont déjà matures d’un point de vue technologique.