Interférométrie à haute sensibilité pour soutenir le développement de revêtements cristallins pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles // Interférométrie à haute sensibilité pour soutenir le développement de revêtements cristallins pour les détecteur

Les premières détections d'ondes gravitationnelles issues de la coalescence de trous noirs publiées par la collaboration LIGO-Virgo en 2016 ont permis d'ouvrir le domaine de l'astronomie gravitationnelle. La première détection d'une onde gravitationnelle issue de la coalescence de deux étoiles à neutron en coïncidence avec un sursaut gamma a ouvert la voie de l'astronomie multi-messager. Depuis, presque 300 évènements ont été détectés par les détecteurs LIGO et Virgo. Ces résultats ont été récompensés par plusieurs prix parmi lesquels le prix Nobel de Physique en 2017.
Le détecteur Virgo est basé sur un interféromètre laser de type Michelson ayant des bras de trois kilomètres de long. Le passage d'une onde gravitationnelle produit un changement différentiel de la longueur des bras qui se traduit par un signal lumineux à la sortie de l'interféromètre. Afin d'augmenter le taux de détection et la distance à laquelle ces évènements sont observables, la sensibilité des détecteurs doit être améliorée. Dans la région de fréquences où le détecteur est le plus sensible, autour de 100 Hz, la limitation principale vient du bruit thermique des miroirs qui composent l'interféromètre. En particulier, c'est la dissipation mécanique dans les traitements réfléchissants (‘coatings') qui est la source du bruit thermique. Pour cette raison la communauté des chercheurs travaillant sur la détection des ondes gravitationnelles, recherche des traitements ayant un plus faible bruit thermique. Un axe de recherche consiste à remplacer les coatings composés de matériaux diélectriques amorphes par des coatings monocristallins basés sur des matériaux III-V du type de ceux utilisés pour l'électronique. Afin d'être utilisables, ces matériaux doivent aussi avoir d'excellentes propriétés optiques.
Dans ce cadre, le groupe Virgo du LAPP coordonne un projet visant à développer des coatings à haute réflectivité basés sur des multicouches de type GaAs/AlGaAs. Le projet, financé par l'ANR, se fait en collaboration avec le CEA à Grenoble, le LMA à Lyon et deux entreprises en région parisienne. Le rôle du LAPP est de développer un banc optique capable de mesurer le bruit thermique de ces coatings afin de guider leur développement. La mesure est basée sur une cavité optique à très haute finesse dont un des miroirs est réalisé avec le traitement réfléchissant dont on veut mesurer le bruit thermique. La cavité doit être illuminée avec un faisceau laser dont la fréquence est modulée de façon à exciter plusieurs modes de la cavité en même temps. La mesure de la variation des fréquences de résonance de ces modes permet de déduire le bruit thermique à mesurer. La technologie d'interférométrie utilisée est similaire celle utilisée dans le cadre du projet Virgo. La difficulté réside dans la faible amplitude du bruit thermique qui nécessite un banc ayant une très haute sensibilité, capable de mesurer le bruit thermique sans être limité par les bruits d'environnement et du laser. Cela devient encore plus difficile lorsque on veut caractériser des coatings cristallins ayant un bruit thermique encore plus faible. Le banc sera installé au LAPP et son développement bénéficiera du savoir-faire développé à Annecy dans le domaine de la détection des ondes gravitationnelles depuis plus de trois décennies. Il convient de souligner qu'un tel banc optique à haute sensibilité peut également être utilisé pour mesurer le bruit thermique de miroirs ou de revêtements basés sur d'autres technologies. C'est donc sur un banc optique polyvalent que l'étudiant travaillera.
En plus du travail de thèse sur le développement du banc optique, l'étudiant participera au projet de développement du revêtement, ce qui lui permettra d'être exposé à différents domaines d'expertise. Ce contexte constituera une excellente formation pour l'étudiant. Enfin l'étudiant aura la possibilité de discuter et de présenter son travail lors des différentes réunions de la collaboration international LIGO-Virgo-KAGRA.
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The first detections of gravitational waves from the coalescence of black holes published by the LIGO-Virgo collaboration in 2016 opened up the field of gravitational astronomy. The first detection of a gravitational wave from the coalescence of two neutron stars in coincidence with a gamma-ray burst paved the way for multi-messenger astronomy. Since then, almost 300 events have been detected by the LIGO and Virgo detectors. These results have been rewarded with several prizes, including the Nobel Prize in Physics in 2017.
The Virgo detector is based on a Michelson-type laser interferometer with three-kilometer-long arms. The passage of a gravitational wave produces a differential change in the length of the arms, which translates into a light signal at the interferometer's output. To increase the detection rate and the distance at which these events can be observed, the sensitivity of the detectors must be improved. In the frequency region where the detector is most sensitive, around 100 Hz, the main limitation comes from the thermal noise of the mirrors that make up the interferometer. In particular, it is the mechanical dissipation in the reflective coatings that is the source of the thermal noise. For this reason, the research community working on gravitational wave detection is looking for coatings with lower thermal noise. One line of research involves replacing coatings made of amorphous dielectric materials with single-crystal coatings based on III-V materials of the type used in electronics. To be usable, these materials must also have excellent optical properties.
In this context, the Virgo group at LAPP is coordinating a project to develop high-reflectivity coatings based on GaAs/AlGaAs-type multilayers. The project, funded by the ANR, is being carried out in collaboration with the CEA in Grenoble, the LMA in Lyon and two companies in the Paris region. LAPP's role is to develop an optical bench capable of measuring the thermal noise of these coatings, in order to guide their development. The measurement is based on an ultra-high-finesse optical cavity, one mirror of which is made with the reflective coating whose thermal noise is to be measured. The cavity is illuminated with a laser beam whose frequency is modulated so as to excite several modes of the cavity at the same time. By measuring the variation in resonance frequencies of these modes, we can deduce the thermal noise to be measured. The interferometry technology used is similar to that employed in the Virgo project. The difficulty lies in the low amplitude of the thermal noise, which requires a highly sensitive bench capable of measuring the thermal noise without being limited by environmental and laser noise. This becomes even more difficult when we want to characterize crystalline coatings with lower thermal noise. The bench will be installed at LAPP, and its development will benefit from the know-how developed at Annecy in the field of gravitational wave detection over more than three decades. It should be emphasized that such a high-sensitivity optical bench can also be used to measure the thermal noise of mirrors or coatings based on other technologies. The student will therefore be working on a versatile optical bench.
In addition to thesis work on the development of the optical bench, the student will participate in the coating development project, giving him/her exposure to different areas of expertise. This will provide excellent training for the student. Finally, the student will have the opportunity to discuss and present his work at various meetings of the international LIGO-Virgo-KAGRA collaboration.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : https://www.lapp.in2p3.fr/recherche/virgo

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université de Savoie Mont-Blanc

47 PHYS - Physique

Connaissances en optique Bases en électronique et en programmation Passion pour la recherche dans le domaine de l'instrumentation et pour la physique expérimentale. Travail en équipe Capacité de présenter ses travaux en anglais
Knowledge in optics Basis in electronics and programming Passion for R&D in the field of instrumentation and for experimental physics. Team work Ability to present its own work in English