Projet ANR-12-BS08-0015 – RAMACO : Matériaux aléatoires à long temps de cohérence optique
Programme : Blanc - SIMI 8 - Chimie du solide, colloïdes, physicochimie (Blanc SIMI 8)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Philippe Goldner (CNRS Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris)
Partenaires : Chimie de la Matière Condensée de Paris; Laboratoire Aimé Cotton; Office national d'études et de recherches aérospatiales
Montant : 330616.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Matériaux aléatoires à long temps de cohérence optiqueL'objectif de RAMACO est le développement de matériaux à structure aléatoire possédant de longs temps de cohérence optique. Actuellement, ces derniers sont associés à l'ordre à longue distance des monocristaux massifs, ce qui limite la conception sur une échelle allant du  nano- au macro-scopique. Pour dépasser ce problème, nous proposons d’élaborer des échantillons polycristallins dopés par des ions de terres rares et possédant des temps de cohérence comparables aux monocristaux.
Nanoparticules et céramiques transparentesCes nouveaux matériaux polycristallins seront produits sous forme de nanoparticules ou de céramiques transparentes. Ils pourraient remplacer les monocristaux dans les domaines de l'information quantique, de l'analyse de signaux radar, de la tomographie optique par ultra-sons ou des lasers ultra-stables. Les nanoparticules faciliteraient  le calcul quantique sur ions uniques, le couplage avec des micro-cavités ou d'autres systèmes quantiques. D'autre part, les céramiques transparentes peuvent être utilisées pour produire des échantillons de grands volumes pour lesquels la croissance de monocristaux est très difficile. L'objectif prioritaire du projet est d’une part l'obtention de longs temps de cohérence dans  les nanoparticules et les céramiques et d’autre part  l'analyse des processus physiques à l'origine de la perte de cohérence. Ces nouveaux matériaux seront aussi utilisés dans RAMACO pour tester de façon plus avancée notre concept. Tout d'abord, nous testerons des céramiques transparentes pour réaliser l'asservissement d'un laser sur un trou spectral étroit et très stable. Les nanoparticules seront utilisées par ailleurs pour étudier la génération d'une cohérence atomique dans un milieu où la lumière se propage de façon désordonnée, un phénomène jusqu'alors inconnu qui pourrait conduire à des avancées fondamentales en physique de l'état solide.
Optimization des matériaux et applicationsL'optimisation du temps de cohérence des nanoparticules s'appuie sur la découverte récente de la possibilité de mesurer des échos de photons sur un milieu diffusant. Les nanoparticules peuvent être ainsi caractérisées sous forme de poudre. Cette méthode s'applique également aux céramiques diffusantes. Différentes méthodes de synthèse seront utilisées pour identifier et diminuer les processus de décohérence. L'asservissement de lasers sur trou spectral sera développé à partir de mesures de dynamique de creusement de trou spectral et de l'étude des différents paramètres influençant la stabilité de ce dernier. La surprenante génération et la propagation du signal d'écho en milieu diffusant  sera analysée à la fois théoriquement et expérimentalement. Les particules produites dans le projet permettront de disposer de références expérimentales diverses pour la modélisation théorique.
Résumé de la soumission : L'objectif de RAMACO est le développement d'une nouvelle classe de matériaux à structure aléatoire et possédant de longs temps de cohérence optique. Actuellement, ces derniers sont associés à l'ordre à longue distance que l'on trouve dans des monocristaux massifs, ce qui limite les matériaux disponibles et les possibilités de conception sur une échelle allant du  nano- au macroscopique. Pour dépasser ce problème, nous proposons de synthétiser des échantillons polycristallins dopés par des terres rares et possédant des temps de cohérence comparables aux monocristaux. Ces matériaux, que nous produirons sous forme de nanoparticules ou de céramiques transparentes, pourraient remplacer les monocristaux dans les domaines de l'information quantique, de l'analyse de signaux radar, de la tomographie acousto-optique ou des lasers ultra-stables. Les nanoparticules permettraient le calcul quantique sur ion uniques, en micro-cavités ou couplés à d'autres systèmes quantiques. Les céramiques transparentes peuvent être utilisées pour produire des échantillons de grands volumes pour lesquels la croissance de monocristaux est très difficile. Avec pour objectif prioritaire le temps de cohérence, les nanoparticules et les céramiques seront optimisées en sélectionnant des méthodes de synthèse et leurs conditions, tout en analysant les processus physiques à l'origine de la perte de cohérence. Nous travaillerons particulièrement sur les modes de vibration des surfaces et des impuretés portant des spins en faisant varier les tailles de particules et/ou celles des domaines cristallins, ou encore en utilisant des structures cœur-coquille dans le cas des nanoparticules. Ces nouveaux matériaux seront aussi utilisés dans RAMACO pour tester de façon plus avancée notre concept. Tout d'abord, nous testerons des céramiques transparentes pour réaliser l'asservissement d'un laser sur un trou spectral étroit, et ce avec une haute stabilité. D'autre part, les nanoparticules seront utilisées pour étudier la génération d'une cohérence atomique dans un milieu où la lumière se propage de façon désordonnée. Ce phénomène jusqu'alors inconnu pourrait conduire à des avancées fondamentales en physique de l'état solide.    RAMACO est un projet interdisciplinaire qui réunit des équipes à la pointe de la chimie inorganique et de la physique quantique, pour développer des matériaux offrant une combinaison unique de flexibilité de conception et de propriétés quantiques remarquables.
Résultats : A ce stade, le projet n'a pas encore généré de publications. On peut cependant noter que nous avons pu observer des largeurs homogène et inhomogène étroites dans une céramique transparente de Eu3+:Y2O3 dans une étude antérieure (A. Ferrier, C. W. Thiel, B. Tumino, M. O. Ramírez, L. E. Bausá, R. L. Cone, A. Ikesue, and P. Goldner, “Narrow inhomogeneous and homogeneous optical linewidths in a rare earth doped transparent ceramic,” Phys. Rev. B 87(4), 041102, (2013)
Perspectives : Ce projet ouvre de nouvelles perspectives pour les applications des matériaux dopés par des terres rares utilisant les propriétés de cohérence: information quantique, analyse de signaux radar, tomographie optique par ultra-sons ou lasers ultra-stables. De plus, ces systèmes permettront d'étudier de nouveaux phénomènes dans les milieux aléatoires alliant propagation de la lumière et cohérence atomique. La flexibilité de conception offerte par les matériaux polycristallins pourra non seulement être bénéfique aux applications existantes mais aussi en initier de nouvelles.
Publications et brevets : -