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Développement de détecteurs à inductance cinétique ultra-sensibles pour l'infrarouge proche et le visible

Description

Grâce à leur performance inégalée, particulièrement en terme de sensibilité qui peut approcher la limite quantique donnée par le bruit d’un photon, les détecteurs à base de supraconducteur représentent le choix de prédilection lorsqu’il s’agit de détecter la lumière primordiale émise au début de l’expansion de l’univers, de sonder le milieu interstellaire qui est le siège de la formation des étoiles mais aussi lorsqu’il s’agit d’étudier les processus physico-chimiques des atmosphères planétaires y compris celle de la Terre. Les technologies développées à l’Observatoire de Paris ont pour principal domaine d’application l’astronomie. Elles pourraient cependant être étendues à des applications touchant aussi bien à la surveillance de la terre, à l’aéronomie qu’à des applications liées à la biologie et la défense.

En 2003, un nouveau type de détecteur ultra-performant, appelé MKID (Microwave Kinetic Inductance Detectors), fonctionnant à très basse température (~100 mK), a été inventé par les équipes de recherche de Caltech et JPL-NASA (USA). Un MKID est un résonateur supraconducteur de type LC présentant un fort facteur de qualité (Q>104). Comparativement à d’autres technologies de détecteurs directs supraconducteurs tels que les senseurs STJ (Superconducting Tunnel Junctions) ou TES (Transition Edge Sensors), la technologie MKID permet de réaliser de façon naturelle un multiplexage fréquentiel dans le domaine RF d’un plus grand nombre de pixels avec une seule ligne de lecture. Cependant, les détecteurs MKIDs actuels possèdent un bruit intrinsèque dont le mécanisme n’est pas encore totalement compris. Il s’agit du bruit des systèmes à deux niveaux (ou bruit TLS pour Two-Level System) généré à l’interface entre le supraconducteur du résonateur et le diélectrique, notamment le diélectrique amorphe(comme par exemple l’oxyde natif du substrat). Même à très basse température, ce bruit induit des perturbations dans le résonateur sous la forme d’un bruit de composante 1/f. Sachant que les MKIDs sont réalisés à l’aide de films supraconducteurs déposés généralement sur un substrat de silicium, le bruit TLS constitue actuellement l’obstacle majeur pour atteindre les sensibilités approchant la limite quantique donnée par le bruit d’un photon.

Pour s’affranchir au maximum de ce bruit, les équipes de recherche (JPL NASA, Caltech, Université de Californie…) développent, par exemple, des résonateurs avec des capacités utilisant des diélectriques non amorphes tels que le silicium monocristallin. Cependant, la mise en œuvre de MKIDs avec un tel diélectrique est difficile et un gain substantiel en performance n’est pas pour autant garanti.

Afin de réduire effectivement le bruit TLS, sachant qu’il est prédominant dans la partie capacitive, nous proposons la mise en œuvre de MKIDs utilisant des capacités sans aucun diélectrique, dont les électrodes parallèles sont séparées par du vide. Cette approche bénéficiera aux détecteurs MKID dédiés à la détection du rayonnement électromagnétique millimétriques/submillimétriques jusqu'aux rayons X.

En outre, l’intérêt des capacités sans diélectriques concerne aussi d’autres applications où le bruit excessif intrinsèque perturbe le fonctionnement optimal des dispositifs. Nous citerons les calculateurs et les mémoires quantiques (informatique quantique) où les bruits TLS peuvent affecter le bon fonctionnement des qubits par l’apparition de phénomènes de décohérence ou encore des amplificateurs paramétriques supraconducteurs par l’apparition d’un bruit intrinsèque excessif.

Profil

Le candidat devra posséder de solides connaissances en hyperfréquence et être familier avec les simulations électromagnétiques 2D/3D, la physique des supraconducteurs ainsi que la nano et microfabrication en salle blanche. Issu(e) d'un Master d'électronique micro-ondes/hyperfréquence ou de physique fondamental, il ou elle devra être motivé(e), autonome, et avoir le désir d'aborder et développer de nouvelles compétences.

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : GEPI Observatoire de Paris
Directeur(rice) de thèse/recherche : Boussaha Faouzi
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : faouzi.boussaha@obspm.fr
Responsable Cnes de l'offre : GEOFFRAY Hervé

Pour postuler à cette offre, nous vous invitons à vous rapprocher du directeur/rice de thèse et compléter avec son aide la partie cofinancement du formulaire en ligne (Répondre à l’offre)  pour le 1er avril 2019.

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