Thèse Refroidissement Sympathique et Spectroscopie par Logique Quantique dans une Paire d'Ion BE - Sr H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris Cité École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Matériaux et phénomènes quantiques Direction de la thèse : Pierre-François COHADON ORCID 0000000334529415 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-09-01T23:59:59 Laspectroscopie par logique quantique (Quantum Logic Spectroscopy, QLS) s'est imposée comme une technique centrale pour la mesure de précision d'espèces ioniques qui ne peuvent être ni refroidies directement par laser ni détectées par fluorescence standard. Elle repose sur le couplage entre un ion d'intérêt et un ion auxiliaire bien contrôlé dans un cristal de Coulomb formé de deux espèces ioniques, où les modes de mouvement communs permettent une détection indirecte de l'état interne [Schmidt05].Ce projet s'intéresse à un régime encore largement inexploré expérimentalement : la capture et le refroidissement sympathique d'ions produits en dehors du piège et injectés avec des énergies cinétiques pouvant atteindre l'ordre de l'électron-volt. Cette situation apparaît lorsque les ions ne peuvent être produits au repos dans la région de piégeage. C'est notamment le cas dans l'expérience GBAR au CERN, qui vise à mesurer l'accélération gravitationnelle de l'antihydrogène [Perez12]. Des contraintes similaires existent pour les ions moléculaires produits par ionisation par électrospray, qui doivent être transférés dans le piège avant de pouvoir être détectés via leur interaction avec un nuage d'ions refroidis par laser [Poindron21]. Ce régime est également pertinent pour les ions hautement multi-chargés, produits à l'extérieur du piège et nécessitant une capture et un refroidissement efficaces avant toute mesure de haute précision.L'étude repose sur une paire d'ions Be/Sr avec un rapport de masse proche de 10, constituant un système adapté à l'étude du refroidissementsympathique en régime fortement asymétrique. Les deux ions peuvent êtrerefroidis par laser et détectés. Il est donc possible de suivre la dynamique de refroidissement sur une large plage de températures, allantenviron 10³ K jusqu'au millikelvin. L'inversion des rôles des deux espèces permet d'explorer, au sein d'un même système, les deux configurations de refroidissement.Ce projet de thèse est développé dans le cadre d'une collaboration entrel'équipe « ions piégés » du Laboratoire Kastler Brossel et l'équipe « Quantum Information and Technologies » du laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques, où l'expérience est réalisée. Sur le plan expérimental, le projet s'appuie sur un piège à ions segmenté comportant deux zones de piégeage, permettant la préparation, le transport et l'interaction contrôlée des ions. Le projet s'articule en trois étapes principales. Tout d'abord, le transport des ions et l'énergie cinétique seront calibrés à l'aide de mesures de « Doppler recooling » [Wesenberg07]. Ensuite, la capture et la thermalisation d'union Be injecté dans un cristal de Coulomb froid de Sr seront étudiées. Enfin, le projet portera sur le refroidissement d'une paire d'ions Be/Sr proche de l'état fondamental de mouvement par refroidissement Raman. Le refroidissement Sisyphe sera également étudié comme approche alternative [Dalibard89; Ejtemaee17].Le projet vise à caractériser quantitativement l'efficacité de capture, les mécanismes de perte d'énergie et les dynamiques de thermalisation dans des systèmes à fort rapport de masse. Il permettra de déterminer les conditions dans lesquelles le refroidissement vers l'état fondamental et la spectroscopie par logique quantique restent applicables. En étudiant l'interaction entre des énergies cinétiques initiales élevées et un fort déséquilibre de masse, il explore un régimepertinent pour l'extension des méthodes de logique quantique à des systèmes ioniques plus complexes. Quantum-logic spectroscopy has emerged as a powerful method for precision measurements on ionic species that cannot be directly laser cooled or detected. In mixed-species ion crystals, the shared motional modes provide the interface between species and enable indirect state detection [Schmidt05].Over the last decade, QLS has been extended beyond atomic clock ions to molecular ions and more complex systems. Early developments demonstratednon-destructive state detection and coherent control of molecular ions.More recently, real-time quantum-state tracking of a single molecular ion has been achieved [Liu24], while related work extended these methodsto highly charged ions [Micke20] and transition-metal ions [Rehmert25].In parallel, Coulomb-crystal clocks have shown that mixed-species ion crystals can combine sympathetic cooling with state-of-the-art clock performance [Hausser25].Despite these advances, the capture and cooling of ions injected with high kinetic energy remain largely unexplored. This regime is particularly relevant when ions are produced outside the trapping region. In the GBAR experiment at CERN, ions must be captured before being used to produce antihydrogen at rest [Perez12]. Similarly, molecular ions generated by electrospray ionization must be transferred into the trapping region before being detected through their interactionwith a laser-cooled ion cloud [Poindron21].The Be/Sr system provides a suitable testbed for investigating these questions. Its mass ratio close to 10 allows the study of sympathetic cooling in a large mass-imbalance regime. In addition, both ions can be laser cooled and detected by fluorescence, enabling detailed diagnosticsover a wide temperature range.Recent work on fluorescence spectroscopy and Doppler cooling in the five-level manifold of Sr provides an essential experimental basis for the project. In this system, the fluorescence dynamics cannot be described by a two-level model and require a treatment based on optical Bloch equations including 18 Zeeman sublevels. Optimized repumping conditions have been identified to maximize photon scattering rates and enable quantitative fluorescence diagnostics [Martimort25].In this context, the project addresses a key limitation of current implementations of QLS, namely the requirement that ions be prepared at low energy inside the trap. By investigating capture and sympathetic cooling in a regime of high initial kinetic energy and large mass imbalance, it aims to extend precision measurement techniques to systemsthat are currently difficult to access experimentally. Themain objective of the project is to investigate sympathetic cooling in amixed-species ion system in a regime where ions are injected with significant initial kinetic energy. The project aims to study the capture of an injected Be+ ion in a cold Sr+ Coulomb crystal and to quantify the associated energy-loss mechanisms and thermalization dynamics.A central goal is to determine the influence of a large mass ratio on capture efficiency, cooling rates, and thermalization processes. The project also seeks to compare the two configurations obtained by reversing the roles of the two ion species. In a later stage, it aims toachieve cooling of a Be/Sr ion pair close to the motional ground state. Finally, it will establish the conditions under which quantum-logic spectroscopy protocols remain applicable in such mixed-species systems. Theexperiment is based on a segmented surface trap with two trapping zones, designed to separate ion preparation, transport, and cooling. This configuration enables controlled injection of ions with adjustable kinetic energy into a cold Coulomb crystal.In a first stage, a single Sr ion will be trapped and Doppler cooled,then transported between the two zones. Doppler-recooling measurements will be used to estimate the ion kinetic energy and to calibrate the transport process [Wesenberg07].In a second stage, a single Be ion will be trapped and laser cooled, then injected with controlled kinetic energy into a cold Coulomb crystalof Sr ions. Co-trapping of Be and Sr will be achieved, and the thermalization dynamics induced by Coulomb interaction will be studied. The same protocol will be implemented after reversing the roles of the two species, allowing direct comparison of both configurations.In a third stage, the project will address cooling of a Be/Sr ion pairclose to the motional ground state. This will be achieved by addressingthe motional sidebands on Raman transitions between Zeeman sublevels ofthe Sr ground state. As an alternative approach, Sisyphus cooling will also be investigated [Dalibard89; Ejtemaee17].

Le ou la candidate devra posséder une formation solide en physique expérimentale,idéalement en physique atomique, optique, physique quantique.Une expérience préalable en optique, laser, instrumentation expérimentale ou électroniqueest fortement souhaitée. Des compétences en programmation (Python, C/C++ ou équivalent)et en analyse de données seront appréciées, notamment pour l'exploitation des signaux defluorescence et la comparaison avec des simulations numériques.Le ou la doctorant(e) participera au montage, à l'optimisation et à l'exploitation d'un dispositifexpérimental de piégeage d'ions. Il ou elle développera des compétences en refroidissementlaser, piégeage d'ions et spectroscopie, ainsi que dans le contrôle des degrés de libertéexternes d'ions piégés.Le projet nécessitant une forte implication expérimentale, une bonne autonomie, un goûtpour le travail en laboratoire et une capacité à s'intégrer dans un environnement collaboratifsont essentiels. Une bonne maîtrise de l'anglais scientifique est également requise.