Thèse Mis en Place d'Une Source Cryogénique de Molécules Refroidissable par Laser H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire Aimé Cotton Direction de la thèse : Hans LIGNIER ORCID 0000000283472390 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59 La thèse vise à développer au Laboratoire Aimé Cotton une nouvelle plateforme expérimentale consacrée à la production, au contrôle et à la caractérisation de molécules polaires froides, en particulier le fluorure de baryum (BaF). Ces systèmes occupent une place importante en physique atomique et moléculaire en raison de la richesse de leur structure interne - degrés de liberté rotationnels et vibrationnels - et de la présence d'un moment dipolaire électrique permanent élevé. Ils constituent ainsi des candidats particulièrement adaptés à la spectroscopie de haute résolution, au contrôle quantique de la matière et aux mesures de précision destinées à sonder des effets extrêmement faibles et à rechercher d'éventuels écarts au modèle standard.
L'objectif central du projet est de mettre en place une source cryogénique de BaF capable de produire un jet moléculaire à la fois lent et intense, puis de développer les outils nécessaires à sa caractérisation et à sa manipulation. Le travail s'articule autour de trois volets complémentaires : la production du faisceau cryogénique, la mise en oeuvre d'une détection sélective en état associée à des outils de spectroscopie résolue, puis les premières étapes de manipulation optique des molécules. L'enjeu est d'obtenir des échantillons dont les états internes et le mouvement externe soient suffisamment bien maîtrisés pour permettre des expériences de contrôle fin et de métrologie moléculaire.
Le choix de BaF repose à la fois sur ses propriétés intrinsèques et sur le savoir-faire déjà acquis au laboratoire. Cette molécule présente une structure électronique favorable et a déjà été identifiée comme particulièrement prometteuse pour des mesures de haute précision et des recherches de physique au-delà du modèle standard. Le projet s'appuie en outre sur une expertise expérimentale déjà établie sur cette espèce, incluant la production et la manipulation de faisceaux supersoniques de BaF, le pompage optique rotationnel et vibrationnel, ainsi que la décélération de faisceaux moléculaires.
Le recours à une source cryogénique par gaz tampon constitue l'apport instrumental décisif du projet. Dans ce type de dispositif, les molécules sont refroidies par collisions avec un gaz froid dans une cellule opérant entre 4 et 20 K, ce qui permet d'obtenir des vitesses longitudinales typiquement comprises entre 50 et 200 m/s, nettement inférieures à celles des faisceaux supersoniques usuels, tout en conservant un flux important. Une telle combinaison est essentielle pour améliorer la détection, faciliter les manipulations optiques ultérieures et accroître la sensibilité des futures expériences de spectroscopie et de métrologie.
Au-delà de sa dimension instrumentale, le projet a pour ambition d'établir au laboratoire une base expérimentale de premier plan pour l'étude contrôlée des molécules polaires froides, avec une perspective forte vers la spectroscopie de précision et les tests de physique fondamentale. Il doit également contribuer à structurer durablement une activité compétitive sur les molécules froides, un domaine encore peu développé en France mais à fort potentiel scientifique. Le contexte scientifique de la thèse est celui du fort développement, en physique atomique et moléculaire, des recherches sur les molécules froides. Par rapport aux atomes, ces systèmes possèdent une structure interne beaucoup plus riche (niveaux rotationnels, vibrationnels, hyperfins) et un moment dipolaire électrique permanent, ce qui en fait des objets particulièrement intéressants pour la spectroscopie de haute résolution, la dynamique quantique contrôlée et les mesures de précision.
Dans ce cadre, l'enjeu est de produire des échantillons moléculaires suffisamment lents, froids et bien contrôlés pour exploiter pleinement ces propriétés. Des molécules comme BaF sont particulièrement attractives car elles combinent une structure favorable à la manipulation optique avec un fort intérêt pour des expériences de physique fondamentale, notamment la recherche d'effets très faibles et de possibles écarts au modèle standard. Le projet s'inscrit donc à l'interface entre développement instrumental avancé, spectroscopie moléculaire et tests de physique fondamentale. La thèse a pour objectif de développer au Laboratoire Aimé Cotton une plateforme expérimentale dédiée à la production, au contrôle et à la caractérisation de molécules polaires froides, en particulier le fluorure de baryum (BaF), à partir d'une source cryogénique produisant un faisceau moléculaire lent et intense. Elle vise aussi à mettre en oeuvre des outils de détection sélective en état, de spectroscopie résolue et de manipulation optique afin d'obtenir des échantillons bien contrôlés, en vue d'expériences de spectroscopie de précision et de tests de physique fondamentale. travail expérimental utilisant le vide secondaire, la cryogénie (cryoréfrigérateur), les sources laser pulsés et continues, la détection d'ions.

Le candidat doit avoir poursuivi des études de physique durant lesquelles il aura acquis des bases solides en physique quantique, physique atomique, optique et électromagnétisme. En outre, des compétences en programmation sont requise (pour le traitement de données et la mise en place de simulations numériques).
De par la nature expérimentale du projet de thèse, les stages en laboratoire effectués par le candidat seront appréciés. Le candidat doit être motivé par le travail expérimental tout en maintenant un fort intérêt et une curiosité pour la thématique (molécules froides, refroidissement laser et applications).