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.

Au début des années 2000, 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 détecteur MKID est un résonateur de type LC réalisé à partir de matériaux supraconducteurs, dont la fréquence et la phase sont modifiées par l’absorption de photons incidents. Ce changement de fréquence permet alors de détecter l'arrivée du photon et, par le biais d’une calibration, d’en déduire son énergie. Ces capteurs peuvent opérer en mode comptage de photons permettant de réaliser la spectrophotométrie sans recourir à un système de dispersion sur le chemin optique. Le multiplexage en fréquence des MKIDs permet la mise en œuvre de matrices comprenant plusieurs milliers de pixels qui peuvent être lus en parallèle par une seule ligne de lecture. Ici, chaque pixel, ou circuit LC, a sa propre fréquence de résonance. Les MKIDs sont une technologie de détection innovante qui ouvrira un large éventail d'applications en astronomie et astrophysique.

A l'Observatoire de Paris, nous développons depuis 2020 le premier instrument (SPIAKID) utilisant cette technologie [1]. Il s'agit d'un spectro-photo-imageur qui sera principalement dédié à l'observation et à l'étude des galaxies ultra-compactes et de très faible intensité dans le Groupe Local. L’instrument utilisera à terme jusqu’à quatre matrices MKIDs de 20000 pixels chacune, disposées en mosaïque dans le plan focal afin d’atteindre un champ de vision de plusieurs arcminutes sur le ciel.

Cependant, les MKID actuels ont un faible pouvoir de résolution R = λ/Δλ de 4 [2]. Ce dernier doit être amélioré et porté à 20 à environ 550 nm pour répondre aux exigences du nouveau projet AMINO (Advanced Multi-spectral Imaging using Novel wavefront sensors with Optical photon-counting detectors). Cela peut être réalisé à la fois en améliorant les performances des détecteurs et en mettant en œuvre de nouveaux algorithmes de traitement du signal. Porté par l'Observatoire de Paris, AMINO permettra l’imagerie multispectrale utilisant de nouveaux analyseurs de front d'onde avec des MKIDS opérant en mode comptage de photons. Ces nouveaux MKIDs seront conçus pour la détection et l'étude des exoplanètes.

La/le doctorant(e) s’investira dans le développement de détecteurs MKIDs. Une forte interaction avec les équipes impliquées dans le projet AMINO est aussi nécessaire afin de bien définir les algorithmes nécessaires au traitement des données permettant l’amélioration des performances de détection. Dans ce contexte, il est prévu que la/le doctorant(e) se familiarise aussi avec le contexte astrophysique pour lequel les capteurs MKIDs sont développés.

L’ensemble de ces activités, à l’interface de la recherche instrumentale et de l’astrophysique, suppose un profil mêlant des compétences à la fois pointues et transverses. En l’occurrence, une connaissance solide en physique est nécessaire. Une bonne connaissance du phénomène de la supraconductivité sera la bienvenue, mais pas nécessaire. De bonnes connaissances théoriques en électronique et en mesures RF sont requises. Des compétences en informatique sont aussi requises, notamment en programmation et développement logiciel.

Compétences requises

Le sujet de thèse se situe à l’interface de la recherche instrumentale et de l’astrophysique et suppose un profil mêlant des compétences à la fois pointues et transverses. En l’occurrence, une connaissance solide en physique est nécessaire. Une bonne connaissance du phénomène de la supraconductivité sera la bienvenue, mais pas nécessaire. De bonnes connaissances théoriques en électronique et en mesures RF sont requises. Des compétences en informatique sont aussi requises, notamment en programmation et développement logiciel.

Bibliographie

[1] J. Hu et al.,“ Development of MKIDs in the optical and near-infrared bands for SPIAKID ”, J. Low temp. Phys. Vol. 214, 2024. https://doi.org/10.1007/s10909-023-03018-5
[2] F. Boussaha et al., « Photon-counting with single stoichiometric TiN layer-based optical MKIDs ”, Appl. Phys. Lett. 122, 212602 (2023). https://doi.org/10.1063/5.0147584

Mots clés

Détecteur à inductance cinétique, Exoplanètes , Supraconductivité, Hyperfréquences, Micro et nanotechnologie, Optique