Développement de sources haute résolution de particules chargées grâce au contrôle de leur trajectoire par corrélation temps-position

par Colin Lopez

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Picard Yan et de Daniel  Comparat.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Ondes et Matière (Orsay, Essonne ; 2015-....) , en partenariat avec LAC - Laboratoire Aimé Cotton (laboratoire) , Matière froide corrélée (equipe de recherche) et de Ecole normale supérieure Paris-Saclay (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2015 .


  • Résumé

    Le sujet de thèse proposé par l'équipe Matière Froide et Corrélée (MFC) du Laboratoire Aimé Cotton (LAC) consiste en un développement de sources de particules chargées (ions ou électrons) dont la résolution en énergie, position et temps approchent les limites ultimes permises par les lois physiques. De telles sources pourront être appliquées à des expériences d'imagerie et de lithographie. Le principe est d'utiliser la détection sensible en temps et position pour l'une des deux particules chargées corrélées, produites par photoionisation d'un nuage d'atomes froids, pour corriger en temps réel la trajectoire 3D de la particule partenaire afin d'en maîtriser le plus finement possible les caractéristiques spatio-temporelles. Ce projet s'articule autour des recherches effectuées par Daniel Comparat, en particulier dans le projet ERC ColdNano (UltraCOLD ion and electron beams for NANOscience). Le projet a pour but de créer, à partir de l'ionisation d'atomes de césium refroidis par laser, un nouveau type de source d'ions et d'électrons permettant une meilleure focalisation des faisceaux. Le travail développé pendant cette thèse permettra d'envisager de nouvelles expériences basées sur le contrôle de particules chargées uniques issues d'un nuage d'atomes froids, ce qui permet de s'affranchir des effets de répulsion coulombienne dégradant les sources actuelles. Le but ultime étant d'arriver à déposer sur une surface un ion ou un électron avec des caractéristiques de vitesse, de position et de temps d'une précision jamais atteinte jusque-là. Des applications évidentes en implantation d'ions sont envisagées. Le développement d'un système de localisation très rapide, basé sur des dispositifs électroniques qui seront développés dans le cadre de cette thèse, permettra d'augmenter le flux de la source et d'envisager alors des applications en imagerie d'ions ou d'électrons. Les potentialités de ce dispositif en termes de correction de trajectoire ouvrent la voie d'un contrôle total du temps, de la position et de la vitesse d'arrivée des ions sur la cible. Une augmentation supplémentaire du flux est envisagée, en vue d'application d'imagerie, en améliorant la vitesse de traitement en temps réel des informations temps/position des électrons. Le projet présenté ici s'inscrit dans un projet plus vaste. Par exemple une source d'ions est en cours de réalisation en commun avec la société Orsay Physics, spécialisée dans la conception et la fabrication de colonnes à faisceaux d'ions focalisés. De telles sources monocinétiques, pouvant être ultra-brèves et pulsées ou bien continues seront très polyvalentes, pourraient initier un vaste champ de recherche et ouvrir la voie à de nombreuses applications en physique, en chimie et en biologie.

  • Titre traduit

    Development of high-resolution charged particles sources thanks to time-position feedback control


  • Résumé

    The thesis proposed by Matière Froide et Corrélée (MFC) team of Laboratoire Aimé Cotton (LAC) is the development of charged particle sources (ions or electrons) whose energy resolution, position and time approach the ultimate limit permitted by physic laws. This kind of sources could be applied in imaging experiments and lithography. The idea is to use the sensitive detection in time and position for one of the two correlated charged particles produced by the photoionization of an cold atoms cloud, to correct in real time the 3D trajectory of the particle partner to know as thinly as possible its spatiotemporal characteristics. This project is linked to the research of Daniel Comparat, particularly in the ERC ColdNano project (ion and electron beams UltraCOLD for Nanoscience). The project aims to create, from the ionization of cesium atoms cooled by laser, a new type of ion or electron source allowing a better beam. The work developed during this thesis will consider new experiences based on the unique control of charged particles from a cold atoms cloud, and allow to overpass the Coulomb repulsion effects that degrades the common sources. The ultimate goal is to be able to depose an ion or an electron on a surface with the speed, position and time characteristics never reached. Some applications in ion implantation are expected. The development of a fast localization system based on electronic devices is expected as part of this thesis. This electronic will increase the flow of source and allow ion or electron imaging. In terms of trajectory correction it could allow a full control of time, position and velocity of ions reaching the target. A further increase of the flow is considered for purposes of imaging (real-time processing of time-position data). The project presented here is part of a larger project. For example an ion source is being implemented jointly with the Orsay Physics Company (specialized in the design and manufacture of columns Focused ion beam). Such monokinetic sources can be ultra-short pulsed or continuously and are very versatile. It could initiate a new kind of research for numerous applications in physics, chemistry and biology.