Description

Le travail de thèse proposé porte sur l’avancement des techniques de spectroscopie et d’imagerie dans le moyen infrarouge (MIR) grâce à l’utilisation de protocoles quantiques.
Le moyen infrarouge (MIR) couvre la partie du spectre électromagnétique située entre l’infrarouge et les micro-ondes. Dans cette gamme, les mouvements roto-vibrationnels des molécules ainsi que les résonances collectives dans les solides présentent leurs énergies caractéristiques.
Le MIR est un rayonnement de faible énergie capable de pénétrer une grande variété de matériaux tels que les plastiques et le papier, qui sont opaques à la lumière visible. Il est également invisible à l’œil humain et aux capteurs classiques, et ne pénètre pas jusqu’à la rétine, ce qui le rend plus sûr.
Pour cette raison, le MIR trouve des applications dans la sécurité, ainsi que dans l’inspection des matériaux pour observer la dégradation ou les défauts de surface, dans l’industrie agroalimentaire pour le contrôle qualité après l’emballage, dans la surveillance environnementale, et dans les diagnostics médicaux.
En parallèle, le MIR commence à impacter les communications en espace libre à haut débit, car les fenêtres atmosphériques se trouvent dans cette région du spectre et la diffusion due au brouillard ou à la pollution est réduite à ces grandes longueurs d’onde.
De nouveaux horizons devraient s’ouvrir dans ces domaines en passant de sources classiques à des sources quantiques de rayonnement. Les applications du MIR s’appuient sur des détecteurs peu performants, intrinsèquement limités par le fait que l’énergie des photons à mesurer est comparable à celle du bruit thermique ambiant.
La mécanique quantique offre un outil puissant pour surmonter ces limitations : l’intrication. En liant un photon MIR (de l’ordre de centaines de meV) à un autre photon d’énergie plus élevée (~eV), il devient possible d’obtenir des informations sur l’interaction du MIR avec la matière via des détections réalisées uniquement dans le proche infrarouge (NIR), domaine dans lequel des détecteurs très performants existent.
Dans ce schéma à photons non détectés, les mesures ne sont pas affectées par le rayonnement thermique de fond, car elles reposent sur la corrélation quantique entre deux photons intriqués et des détecteurs NIR.
Le travail de thèse proposé concerne la mise en place d’une plateforme expérimentale de spectroscopie et d’imagerie MIR basée sur des protocoles quantiques. L’étudiant·e travaillera à la conception et à la réalisation d’un interféromètre quantique exploitant les corrélations en fréquence et en espace des paires de photons intriqués pour des applications spectroscopiques et d’imagerie.
Il s’agit de la première étape d’un projet plus large visant à développer des systèmes quantiques ayant des applications potentielles dans l’industrie et la recherche.
Le projet sera mené en collaboration entre les laboratoires MPQ, LUMIN et l’ONERA.

Compétences requises

Un étudiant motivé avec bonne compétence en optique classique expérimentale. Une bonne maitrise de la physique quantique est demandée.

Bibliographie

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GB Lemos, V Borish, GD Cole, S Ramelow, R Lapkiewicz, A Zeilinger Nature 512 (7515), 409-412
J. Sternberg, J. Voisin, C. Roux, Y.Chassagneux, M. I. Amanti arXiv:2403.15557

Mots clés

Optique quantique, spectrométrie quantique, Imagerie quantique