STAGE CRYostats en circuit fermé pour les technologies quantiques : Effets thermiques et décohérence dans les cristaux dopés terre rare

Les cristaux dopés aux ions de terre rare offrent des propriétés exceptionnelles lorsqu’ils sont refroidis à la température de l’hélium liquide. Grâce à la longue durée de vie de leurs niveaux électroniques, leur profil d’absorption large de plusieurs dizaines de GHz peut être modifié par spectral hole burning (SHB) avec une résolution proche du kHz. Ces matériaux se comportent alors comme des processeurs optiques programmables pouvant être utilisés pour une grande variété d’applications, aussi bien dans le domaine des technologies quantiques (mémoire quantique, référence de fréquence ultra-stable, calcul quantique) que dans celui du traitement analogique de signaux radio-fréquence (analyse spectrale ou filtrage).
Pour faire gagner en maturité ces architectures, l’utilisation de cryostats en circuit fermé est indispensable car ces derniers permettent de s’affranchir des contraintes logistiques liées à l’hélium liquide qui plus est dans un contexte géopolitique troublé. Ils permettent d’atteindre couramment une température de 3K, mais avec des puissances de froid limitées et des niveaux de vibration importants. La faible puissance de froid oblige à restreindre la puissance optique des faisceaux permettant la programmation par SHB, et donc le contraste des structures gravées et/ou le nombre d’ions préparés, sous peine de chauffer le cristal et de dégrader ses propriétés de cohérence. Les vibrations provoquent quant à elles des déplacements incontrôlés des raies atomiques, ce qui conduit aussi à une perte de cohérence.
Si les vibrations peuvent être fortement atténuées dans les cryostats en circuit fermé par des dispositifs de découplage mécanique (lien souple, suspension, gaz d’échange), cela se fait souvent au prix d’une réduction de la puissance de froid déjà limitée, avec des conséquences encore mal maîtrisées sur les architectures envisagées. A l’Institut Langevin, nous souhaitons étudier en profondeur l’impact de l’utilisation des cryostats en circuit fermé sur les performances des architectures relevant des technologies quantiques basées sur des matériaux dopés terre rare, en s’intéressant plus spécifiquement aux problèmes de décohérence associés à l’échauffement des échantillons. Le stage, principalement expérimental, aura pour but de comprendre les aspects statiques et dynamiques de l’échauffement des cristaux dopés, en mettant en oeuvre une méthode originale de mesure de la température dans le volume du cristal par spectroscopie SHB.