L’étude des fluctuations polarisées du rayonnement fossile à 3K (Cosmic Microwave Background, CMB) apparaît aujourd’hui comme une voie incontournable pour progresser dans notre compréhension de l’Univers. Après Planck, la communauté européenne s’implique actuellement dans la petite mission spatiale japonaise LiteBird. Des études sont également en cours en préparation d’une grande mission spatiale dédiée à la caractérisation complète de la polarisation du ciel sub-millimétrique et millimétrique en vue de l’appel d’offre ESA M6 ou d’une collaboration avec l’Inde. 

Dans ces deux cas, l’optimisation des performances optiques de l’instrument serait grandement simplifiée si l’on pouvait réduire les dimensions physiques du plan focal. Une solution pour atteindre cela serait de réaliser des détecteurs cryogéniques multi-fréquences, c’est à dire intégrant de nouvelles fonctionnalités s’approchant de la spectroscopie. En pratique, une telle architecture de détection se base sur l’utilisation d’une antenne large bande connectée à un circuit planaire puis aux détecteurs (bolomètres ou détecteurs à inductance cinétique du type KIDs), tout cela aux températures cryogéniques (T<0.3K). Plusieurs options sont envisagées pour le circuit planaire, la plus simple étant un ensemble de filtres venant alimenter plusieurs détecteurs. Une première version bi-fréquence a été étudiée dans le cadre d’un contrat avec l’ESA entre les universités de Manchester, Maynooth, Chalmers, Rome et l’APC.

Nous proposons de partir des premiers résultats et d'aboutir à un prototype fonctionnel avec quelques pixels et une faible résolution spectrale (R=10) fonctionnant autour de 150GHz. Pour atteindre cela, on utilisera des détecteurs du type KIDs couplés à une antenne large bande et une banque de filtres millimétriques réalisés en technologie planaire. L’étude portera dans un premier temps sur l’optimisation de l’antenne large bande puis sur le choix du type de filtre ainsi que l’amélioration du couplage avec le détecteur. Ces études se feront avec les moyens de modélisation et de caractérisation électromagnétique disponibles à l'APC (CST MWS, Sonnet, cryostat à dilution, cryostat à désaimantation adiabatique, analyseur vectoriel millimétrique). Les échantillons seront réalisés à l’observatoire de Paris ainsi qu’à la plateforme technologique du C2N (Orsay). Ces travaux seront réalisés en collaboration avec l’observatoire de Paris, l’institut Néel et le LPSC à Grenoble ainsi que le Centro Atómico à Bariloche et le CNEA à Buenos Aires (Argentine).

Selon le profil de l'étudiant, le travail de thèse pourra se concentrer sur différentes activités: a) modélisation et design, b) caractérisations à basse température, c) micro-fabrication. Le candidat devra avoir des compétences dans au moins l’un des domaines suivants: design radiofréquence, instrumentation pour l'astronomie, technologies de micro-fabrication.

Encadrants: M. Piat (HDR, APC-Paris)

piatapc.univ-paris7.fr