Thèse Interférométrie à Haute Sensibilité pour le Développement de Revêtements Cristallins pour les Détecteurs d'Ondes Gravitationnelles H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Savoie Mont-Blanc École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules Direction de la thèse : Raffaele FLAMINIO ORCID 0000000344626737 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-12T23:59:59 La première détection d'ondes gravitationnelles issues de la coalescence de trous noirs annoncée par la collaboration LIGO-Virgo en 2016 a permis d'ouvrir le domaine de l'astronomie gravitationnelle. La première détection d'une onde gravitationnelle issue de la coalescence de deux étoiles à neutrons en coïncidence avec un sursaut gamma a ouvert la voie de l'astronomie multi-messager. Depuis, presque 400 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 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 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. Le banc sera installé au LAPP et son développement bénéficie 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. L'étudiant travaillera donc sur un banc optique polyvalent, qui sera utile aussi pour le développement des miroirs du futur projet Européen dédié aux ondes gravitationnelles, le Einstein Telescope.
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.
Ce travail s'effectue dans le cadre de l'équipe Virgo du Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules en collaboration avec les autres équipes de la collaboration Virgo en Italie, France, Espagne, Pays-Bas et Belgique et plus largement avec les équipes des collaborations LIGO aux US et KAGRA au Japon. Pour la partie concernant le développement des coatings cristallins, le projet se fait en collaboration avec le CEA à Grenoble, le CNRS/LMA à Lyon, le III-V Lab à Saclay et l'entreprise RIBER à Paris. Amélioration de la sensibilité du détecteur d'ondes gravitationnelles Virgo Mise en place d'un banc optique capable de mesurer le bruit thermique des coatings employés dans Virgo. Ce banc sera basé sur une cavité optique a haute finesse illuminée par une source laser modulée de façon a exciter plusieurs modes de la cavité. Utilisation de ce banc pour aider le développement des nouveaux type de coatings monocristallins basés sur des matériaux III-V.

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