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Processeurs atomiques et moléculaires dans les solides

Thèmes de recherche


Mémoires quantiques

Benjamin Car, Lucile Veissier, Anne Louchet-Chauvet, Thierry Chanelière

Les perspectives de stockage de lumière quantique ont apporté un regard nouveau et rafraîchissant sur l’interaction matière rayonnement à son échelle la plus élémentaire. Une telle mémoire constituera certes une brique de base de la future technologie quantique mais sa réalisation permet surtout de toucher du doigt la frontière entre les mondes classique et quantique. Sa mise en œuvre dans des cristaux qui contiennent un très grand nombre d’ions actifs repose de façon pressante et concrète la question de la description quantique d’objets macroscopiques.

Les premières expériences de stockage lumineux ont été réalisées avec des vapeurs atomiques dont les propriétés sont connues et bien maîtrisées. Les temps de cohérence dans ces milieux fortement dilués assurent en effet un temps de stockage long [goldner2007]. L’intérêt pour les solides dopés fut d'abord guidé par les possibles applications en cryptographie quantique à longue distance [tittel2010]. Alors que les matériaux solides ne devaient se cantonner qu'au rôle de remplaçants de luxe des vapeurs atomiques, ils ont fait souffler un vent nouveau sur le domaine. Les cristaux dopés terre-rare à basse température ont certes des propriétés qui les font ressembler aux vapeurs, mais ils sont aussi des différences notables et originales [lauro2009shb][lauro2009slow]. La longue durée de vie des cohérences optiques permet un stockage transitoire dans les niveaux excités. Ces caractéristiques intrinsèques aux cristaux ont été exploitées pour développer des protocoles nouveaux qui s'inspirent alors directement de l'écho de photon. Cette synergie entre matériaux et protocoles a permis de surpasser les vapeurs sur tous les points : temps de stockage, efficacité, bande passante et nombre de modes temporels enregistrés en parallèle. Ces résultats très récents traduisent le foisonnement actuel du domaine. Beaucoup reste à faire.

Nous travaillons principalement avec des cristaux dopés thulium afin d'utiliser notre système laser stabilisé à 793nm [chaneliere2010protocols][chaneliere2008]. D'une part, nous réalisons et étudions en détail les protocoles existants [sangouard2010][ruggiero2009photonecho]. Nous avons optimisé les caractéristiques de la mémoire (efficacité et bande-passante dans un premier temps) [bonarota2011][chaneliere2010][bonarota2010]. D'autre part et de façon plus prospective, nous proposons de nouveaux protocoles dans ces mêmes matériaux: un protocole basée sur la lumière arrêtée [lauro2009slow][lauro2009shb], et aussi un protocole inspiré de l'écho de photon à deux impulsions (ROSE) [damon2011]. Les performances de ces nouveaux protocoles restent à définir et à analyser.

Un autre aspect de notre étude consiste à allonger la durée de vie des cohérences, aussi bien optiques que de spin, de façon à allonger le temps de stockage possible dans la mémoire. Des techniques de type "dynamical decoupling" ou de "spin locking" sont utilisées [pascual2012lifetime][pascual2012].

Traitement de signaux classiques

Yoann Attal, Thierry Chanelière, Anne Louchet-Chauvet

L'équipe du Laboratoire Aimé Cotton (LAC) dédiée au traitement optique de l'information s'applique à maintenir un équilibre entre recherche fondamentale et applications. L'activité sur les ions de terres rares en matrice cristalline (REIC) illustre cette double orientation. Bien connus comme matériaux à gain pour les lasers, les REIC offrent, lorsqu'ils sont refroidis à la température de l'hélium liquide, des propriétés originales pour le traitement de signaux placés sur porteuse optique. Combinant une largeur inhomogène de plusieurs dizaines de GHz et une résolution spectrale en général très inférieure à 1MHz, capables par ailleurs de mémoriser un profil spectral pendant des temps qui parfois atteignent plusieurs jours, ces matériaux peuvent être utilisés comme processeurs optiques programmables pour une grande variété d'applications.

Analyse spectrale de signaux radio-fréquence

L'intérêt pour de tels processeurs analogiques est né des limites rencontrées par le traitement tout-numérique en régime très large bande. En raison des nombreuses étapes de transposition, amplification, filtrage, multiplexage requises par la conversion analogique numérique, celle-ci agit en effet souvent comme un goulot d'étranglement et limite le débit des données. Des pré-traitements analogiques chargés de fonctions spécifiques peuvent soulager le convertisseur et augmenter considérablement le débit des informations pertinentes. Sur ce thème l'équipe du LAC effectue le transfert technologique, vers THALES Research and Technology (TRT), d'un appareil dont elle a conçu et démontré le principe [menager2001][lavielle2003].

En parallèle au développement de ce démonstrateur, le LAC a réalisé une avancée décisive pour l'analyseur arc-en-ciel. Elle a développé la méthode de gravure entrelacée qui a permis à la fois d’augmenter l’efficacité de diffraction et de réduire la puissance de gravure requise [linget2014]. Déjà introduite dans le démonstrateur, cette approche nouvelle possède encore sans doute un potentiel inexploré.

Sur un plan plus fondamental, les mêmes REIC sont au cœur des recherches menées dans l'équipe du LAC sur les mémoires quantiques pour la lumière. Dans le cadre des mémoires quantiques, comme dans le cadre du traitement du signal, l'efficacité et la bande passante demeurent des points critiques. Leur optimisation repose sur une programmation des matériaux adaptée, consistant à configurer, en vue d'une fonction particulière, la distribution quadridimensionnelle, spatiale et spectrale, des ions actifs. Depuis le simple pompage optique incohérent, jusqu'aux séquences cohérentes les plus élaborées, éventuellement combinées avec des déplacements angulaires des faisceaux, l'excitation optique du système offre une immense variété de modes de préparation, constamment enrichie de protocoles nouveaux.

Dans cette thématique, on vise à comprendre et maîtriser l'ensemble des processus d'excitation et de relaxation qui interviennent dans la programmation optique et radiofréquence d'un cristal dopé en ions erbium, cet ion étant accessible en bande télécom. On cherche d'autre part à exploiter, en termes d'efficacité de restitution et de durée de vie des filtres, les avancées récentes accomplies dans le contexte des mémoires quantiques. Ce programme est fortement couplé avec les problèmes concrets posés par la mise au point du démonstrateur à THALES TRT.

Traitement de signaux par imagerie temporelle

Introduite dans les années 90, la dualité espace-temps est née d'un constat très simple : la diffraction de Fresnel et la dispersion linéaire s'écrivent sous la même forme mathématique. Une analogie similaire a permis de définir des lentilles dites "temporelles". Tout montage d'optique comprenant des lentilles et des distances de propagation libre peut alors être transposé dans le domaine temporel. Au lieu d'observer l'image d'un objet après propagation à travers un système d'imagerie fait de lentilles et de propagations libres, on mesure une forme temporelle après qu'elle a traversé un montage fait de lignes dispersives et de lentilles temporelles.

Le principe de l'imagerie temporelle est une source d'inspiration pour développer des architectures originales de traitement du signal dans les ions de terre rare en matrice cristalline. Nous avons réalisé ainsi un protocole d'analyse spectrale de signaux rf par projection temporelle [crozatier2007], la génération de formes arbitraires [damon2010], et le renversement temporel d'impulsions radiofréquence [linget2013][linget2013temp]. Ces différentes architectures reposent sur une source laser agile en fréquence, qui permet de tirer parti des longues durées de vie des cohérences atomiques (voir Développement laser).

Développement de filtres pour l'imagerie dans les milieux biologiques

Caroline Venet, Maïmouna Bocoum, Anne Louchet-Chauvet, Thierry Chanelière, en collaboration avec François Ramaz (Institut Langevin)

En vue d’une application médicale, l'imagerie optique de milieux biologiques épais (plusieurs cm) se heurte au phénomène de diffusion multiple, qui empêche de localiser des objets de taille millimétrique (par exemple une tumeur dans le sein). Nous localisons l'information optique en appliquant dans le milieu des ultrasons (balistiques dans les milieux biologiques) avec une résolution de l'ordre du mm. L’effet acousto-optique qui couple la lumière et les ultrasons fait apparaître de nouvelles fréquences optiques, dont l'amplitude témoigne du flux lumineux qui traverse le champ ultrasonore : on parle de photons « marqués » par les ultrasons. La détection des photons marqués permet alors d'imager le milieu biologique avec la résolution spatiale des ultrasons et la sensibilité de l’optique. Si l’excitation ultrasonore est effectuée avec un échographe, on obtient en parallèle des informations complémentaires de type acoustique (B-mode, élastographie, Doppler) et optique (imagerie multimodale).

L’étape de détection constitue le point dur de cette technique, car les photons marqués sont extrêmement proches de la porteuse laser (5MHz, soit 0.00001 nm), et ne peuvent en être séparés avec des filtres interférentiels usuels. Le Laboratoire Aimé Cotton et l’Institut Langevin développent ensemble un filtre original basé sur le phénomène de « creusement spectral » (spectral holeburning) dans un cristal inorganique refroidi. Les atomes résonnants avec un laser excitateur quittent leur état d’équilibre par pompage optique et n’absorbent plus la lumière issue du laser. Il se crée alors un « trou spectral » très contrasté et très étroit dans le profil d’absorption du cristal. C’est ce trou qui sert de filtre pour les photons marqués.

Si la première démonstration de principe est proche, beaucoup reste à faire avant que cette nouvelle technique d’imagerie multimodale soit suffisamment performante et fiable pour être utilisée par un médecin.

Développement laser pour le traitement de l'information classique et quantique

Lauren Guillemot, Thierry Chanelière, Anne Chauvet

Les expériences menées sur les ions de terre rare sont très exigeantes en termes de pureté spectrale des sources lasers. Pour tirer le meilleur parti de la grande durée de vie des cohérences atomiques mises en jeu, il faut disposer de sources laser possédant un temps de cohérence de plus d'une centaine de microsecondes. De plus, les transitions les plus intéressantes tombent souvent dans des domaines spectraux que ne couvrent pas les lasers stabilisés disponibles. Enfin nos applications exigent des excursions de fréquence sur des intervalles de plusieurs GHz, parcourus en quelques µs, reproductibles à moins de 100 kHz près, ce qu'aucun laser commercial, aucune source développée en laboratoire ne permet actuellement de réaliser. Parmi les réalisations figurent un laser guide d'onde à balayage électro-optique intégré [crozatier2006wg], un asservissement en régime de balayage rapide [gorju2007stab], et un nouveau laser « agile en fréquence » à la longueur d'onde de 1.5µm [crozatier2006pll]. Aujourd'hui, une architecture très compacte est à l'étude en collaboration avec la startup iTeoX, avec une longueur de cavité de quelques mm.

Photodynamique d'impuretés moléculaires dans des solides

Jean-Pierre Galaup

Ce travail est mené en collaboration avec l'ISMO (Dr. C. Crépin-Gilbert). Il porte sur des molécules piégées dans des matrices polycristallines, formées par condensation à très basse température de gaz rare ou d'azote en couches minces. Le projet actuel vise à étudier les conditions d'émission stimulée dans le rouge et l'infrarouge à partir de molécules tétrapyrroliques, en vue de mettre au point des microlasers en couche mince. Les molécules sont isolées dans la matrice solide. L'apparition d'émission stimulée est sensible à la structure chimique des molécules‚ à leurs propriétés spectrales et photochimiques, aux conditions d'isolation et de température. La compréhension profonde du mécanisme d'émission stimulée se révèle indispensable dans la perspective des applications envisagées.
Parallèlement, nous étudions la dynamique vibrationnelle dans l'infrarouge de systèmes moléculaires dans des matrices solides par échos de photons à 3 impulsions (mesures des temps de vie T1 et de déphasage T2).