Soutenance de doctorat d'Émile Lalande

Couches amorphes et monocristallines pour les miroirs des détecteurs d’ondes gravitationnelles

Depuis la première détection d'onde gravitationnelle en 2015 effectuée par le Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), un travail constant est accompli de façon à augmenter la sensibilité de détection. Une source importante de bruit dans le domaine de fréquence le plus sensible est le bruit thermique des couches minces, causé par les reconfigurations structurelles dans les matériaux amorphes qui constituent les miroirs de Bragg. Ce bruit est le plus important dans les couches à haut indice de réfraction de ces miroirs, présentement des couches d'oxyde de tantale dopé au titane. 

L'oxyde de titane dopé au germanium (TGO)  est le principal candidat comme couche mince à haut indice de réfraction en raison de son bruit thermique environ 50% moins élevé. Cependant, la présence de cloques et d'un bruit thermique supérieur à ce qui était attendu se sont manifestés dans les couches multiples de TGO/silice des miroirs de Bragg, et nous avons découvert que le phénomène de cloquage survenait à la même température que la désorption d'Ar dans les couches. Cette thèse présente donc une étude détaillée du transport d'Ar. Grâce à un modèle qui considère deux mécanismes liés au transport, nommé dépiégeage et diffusion, dans les couches minces de TGO et silice, il a été possible de prédire les résultats de la concentration d'Ar dans des multicouches de TGO/silice. Les mesures étaient faites par analyse de détection par recul élastique (ERDA), spectroscopie par rétrodiffusion de Rutherford (RBS), émission de rayons-X induite par des particules (PIXE) et spectrométrie de masse par désorption thermique (TDMS). La désorption d'Ar a en outre permis d'expliquer l'évolution de la taille des cloques en fonction de la température et du temps, telle que mesurées dans des séquences vidéo.  

En seconde partie, une alternative aux matériaux amorphes est proposée, soit le silicium monocristallin (c-Si), un choix a priori non idéal en raison de l'absorbance du c-Si à la longueur d'onde du laser des détecteurs actuelles. Cependant, il est disponible commercialement à un diamètre semblable aux miroirs, soit 300mm, deux types d'architectures sont proposées afin de diminuer le bruit thermique. Le premier permet de conserver les lasers actuels et utilise des couches d'oxyde amorphe au-dessus du c-Si de façon à limiter l'absorption totale du miroir. Celui atteint théoriquement une amélioration de 68% du bruit thermique par rapport aux miroirs actuels. Le second, avec du c-Si en surface, nécessite un changement de longueur d'onde du laser à 1550nm, mais permet en principe de diminuer le bruit thermique par un facteur 4. Ces architectures impliquent une fabrication par collage de tranches. Des couches de silicium amorphes (a-Si) seraient utilisées de façon à diminuer le nombre de collages nécessaires. Une preuve de concept de la seconde architecture est présentée, comportant deux couches minces de c-Si séparées par de la silice. De plus, des multicouches d'a-Si/silice ont été déposé afin de produire un miroir quart d'onde sur une simple couche de c-Si. Ainsi, cette thèse démontre qu'il est possible d'utiliser du c-Si pour fabriquer des miroirs qui réduisent significativement le bruit thermique des couches dans les miroirs des prochains détecteurs d'ondes gravitationnelles.