Topic description
La première détection d'ondes gravitationnelles issues de la coalescence de trous noirs annoncée par la collaboration LIGO-Virgo en 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 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 .
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 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.
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The first detection of gravitational waves from the merger of black holes, announced by the LIGO-Virgo collaboration in, opened the field of gravitational astronomy. The first detection of a gravitational wave from the merger of two neutron stars, coinciding with a gamma-ray burst, paved the way for multi-messenger astronomy. Since then, nearly events have been detected by the LIGO and Virgo detectors. These results have been recognized with several awards, including the Nobel Prize in Physics.
The Virgo detector is based on a Michelson-type laser interferometer with arms three kilometers long. The passage of a gravitational wave produces a differential change in the length of the arms, which translates into a light signal at the interferometer's output. To increase the distance at which these events can be observed, the detectors' sensitivity must be improved. In the frequency range where the detector is most sensitive, around Hz, the main limitation stems from the thermal noise of the mirrors that make up the interferometer. In particular, mechanical dissipation in the reflective coatings is the source of thermal noise. For this reason, the research community working on gravitational wave detection is seeking coatings with lower thermal noise. One area of research involves replacing coatings made of amorphous dielectric materials with single-crystal coatings based on III-V materials similar to those used in electronics. To be viable, these materials must also possess excellent optical properties.
In this context, the Virgo group at LAPP is coordinating a project aimed at developing coatings based on GaAs/AlGaAs multilayers. The project, funded by the ANR, is being carried out in collaboration with the CEA in Grenoble, the LMA in Lyon, and two companies in the Paris region. LAPP's role is to develop an optical bench capable of measuring the thermal noise of these coatings to guide their development. The measurement is based on a very high-finesse optical cavity, one of whose mirrors is coated with the reflective treatment whose thermal noise is to be measured. The cavity must be illuminated with a laser beam whose frequency is modulated to excite several modes of the cavity simultaneously. Measuring the variation in the resonance frequencies of these modes allows the thermal noise to be determined. The interferometry technology used is similar to that employed in the Virgo project. The challenge lies in the low amplitude of the thermal noise, which requires a bench with very high sensitivity, capable of measuring the thermal noise without being limited by environmental and laser noise. The bench will be installed at LAPP, and its development draws on the expertise accumulated in Annecy over more than three decades in the field of gravitational wave detection. It should be noted that such a high-sensitivity optical bench can also be used to measure the thermal noise of mirrors or coatings based on other technologies. The student will therefore work on a versatile optical bench, which will also be useful for the development of mirrors for the future European gravitational wave project, the Einstein Telescope.
In addition to the thesis work on the development of the optical bench, the student will participate in the coating development project, which will expose them to various fields of expertise. This context will provide excellent training for the student. Finally, the student will have the opportunity to discuss and present their work at various meetings of the international LIGO-Virgo-KAGRA collaboration.
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Début de la thèse : 01/10/
WEB :
Funding category
Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)
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