Étude théorique des spectres atomiques de lanthanides neutres et trivalents : Application aux gaz ultra-froids et aux solides dopés

Theoretical investigation of the atomic spectra of neutral and trivalent lanthanides : Application to ultracold gases and doped solids

• Auteur / Autrice : Gohar Hovhannesyan
• Direction : Vincent Boudon, Maxence Lepers
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne (ICB) (Dijon)
• Jury : Président / Présidente : Gérard Colas des Francs
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-François Clément
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Dulieu, Wan-Ü Lydia Tchang-Brillet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Néodyme

Erbium

Terres yttriques

Cérium, Groupe du

Métaux des terres rares

Théorie quantique

Mots clés libres

Gaz ultra-Froids

Mécanique quantique

Calculs de structure électronique

Lanthanides

Physique atomique et moléculaire

Lanthanides

Ultracold gases

Quantum mechanics

Electronic-Structure calculations

Atomic and molecular physics

Résumé

Le refroidissement laser et le piégeage des lanthanides ont ouvert la possibilité de réaliser de nouvelles expériences avec des gaz dipolaires ultra-froids, qui peuvent être utilisés, par exemple, pour la simulation quantique de la physique du solide. Pour identifier de nouveaux candidats au refroidissement laser, il est crucial de disposer d’une connaissance spectroscopique précise de l’atome considéré. La première grande orientation de ma thèse est la modélisation du spectre des lanthanides neutres, d'une part de l'erbium (Er), un élément de la partie droite de la rangée des lanthanides, particulièrement attractif en raison d'une transition très fine, reliant l'état fondamental et un état excité métastable, et d'autre part du néodyme (Nd), un élément de la partie gauche de la rangée, qui n'a pas encore été explorée pour le refroidissement laser. En utilisant la méthode semi-empirique implémentée dans les codes de Cowan, nous avons amélioré la description des niveaux de configurations impaires de Er.Nous avons aussi calculé des quantités telles que le facteur de Landé, la durée de vie et la polarisabilité de l'état excité cité plus haut, pour les comparer aux résultats expérimentaux obtenus par un groupe d'Innsbruck en Autriche.Ensuite, pour Nd, nous avons pu interpréter plus de 200 niveaux expérimentaux de la base de données du NIST appartenant aux deux parités, puis nous avons proposé de nouvelles transitions de refroidissement laser. La suite logique de ces travaux est le calcul des coefficients d'Einstein, nécessaires pour caractériser l'efficacité du refroidissement laser et du piégeage des atomes.La plupart des lanthanides existent généralement sous forme de cations trivalents. En raison de la présence d’électrons non appariés, les lanthanides présentent d'intéressantes propriétés électromagnétiques et lumineuses. Sous leur forme trivalente, ils sont largement utilisés à des fins industrielles, dans les lasers et comme (co-)dopants dans les amplificateurs optiques à fibres, par exemple dopée à l'erbium.La deuxième grande orientation de ma thèse est consacrée aux lanthanides trivalents, utilisés comme dopants dans un matériau hôte. Toutes les transitions intéressantes pour ces applications sont induites par le champ cristallin. La théorie de Judd-Ofelt est utilisée depuis des décennies pour décrire ces transitions, mais il existe certaines restrictions liées à la manière dont elle est formulée, en particulier pour l'europium (Eu3+). Dans cette thèse, nous avons effectué des calculs spectroscopiques, en utilisant la même méthodologie que pour les lanthanides neutres, pour trois éléments : Eu3+, Nd3+ et Er3+.Nous avons proposé une extension de la théorie de Judd-Ofelt dans laquelle nous incluons une description précise du spectre de l'ion dopant, et nous tenons compte de la variation de l'indice de réfraction du matériau hôte avec la longueur d'onde. Les résultats de notre modèle sont satisfaisants, car il nous donne un aperçu physique de toutes les transitions observées, y compris celles qui sont interdites par la version standard de la théorie. Par ailleurs, notre modèle reproduit quantitativement les forces d'oscillateurs d'absorption expérimentales. Le code utilisé pour effectuer les calculs est disponible sur GitLab.Comme perspective, nous prévoyons de traiter les transitions en lumière polarisée ou entre des sous-niveaux individuels des ions. Cela sera possible dans notre modèle, car les seuls paramètres ajustés sont ceux du champ cristallin. Cela ouvre la possibilité de modéliser les propriétés spectroscopiques de matériaux hôtes à l'échelle nanométrique.

Laser cooling and trapping of lanthanides has opened the possibility to carry out new experiments with ultracold dipolar gases, which can be used, for example, for quantum simulation of solid state physics. To identify new suitable candidates for laser-cooling, it is crucial to have a precise spectroscopic knowledge of the atom under consideration. First general direction of the thesis is the modeling of the energy levels of neutral lanthanides, firstly for neutral erbium (Er), an element belonging to the right part of the lanthanide row, which is particularly attractive because of a narrow-inner shell transition, connecting the erbium ground state to a long-lived excited state and secondly for neutral neodymium (Nd), an element belonging to the left part of series, which has not yet been considered for laser-cooling. Using the semi-empirical method implemented in the Cowan suite of codes, we have improved the levels of odd parity configurations of Er by incorporating more configuration interaction parameters than in previous calculations. We have calculated quantities such us Lande g factors, excited state lifetime, and polarizabilities, which were then compared with experimental results done by a group in Innsbruck, Austria. During the collaborative work few magic wavelength conditions were proposed.Then, for Nd, we were able to interpret more than 200 experimental levels of the NIST database belonging to both parities. For Nd, after doing precise spectroscopic calculations, we have proposed new laser-cooling transitions. The logical continuation and perspective of the work for the future will be the calculation of the Einstein coefficients, which are necessary to characterize the efficiency of laser cooling and trapping of atoms.Most of the lanthanides usually exist as trivalent cations. Because of the presence of unpaired electrons lanthanides exhibit strong electromagnetic and light properties. In their trivalent form, lanthanides are widely used for industrial purposes, in lasers, and as (co-) dopants in doped-fiber optical amplifiers; for example, in Er-doped fiber amplifiers.Second general direction of the thesis is devoted to trivalent lanthanides, especially to discussion when they are doped in a host material. All the transitions that ware interesting for these applications are activated by the crystal field. Judd-Ofelt theory has been used for decades to describe these transitions, but there are some restrictions arising from the way it is derived. This is especially the case for Eu3+. In the thesis we have done spectroscopic calculations, using the same methodology as for neutral lanthanides, for three elements: Eu3+, Nd3+ and Er3+.We have proposed an extension of Judd-Ofelt theory in which we include precise spectroscopic calculations of the considered ion and account for wavelength dependence of the refractive index. The results of the extension are satisfactory, we are able to give a physical insight into all the transitions within the ground electronic configuration, including the ones that were forbidden before by the standard version of the theory, and also to reproduce quantitatively experimental absorption oscillator strengths. The code used to make the calculations is available on GitLab.As a prospect, we plan to treat transitions with polarized light or between individual ion-crystal sublevels. This will be possible in our model, because the only fitted parameters are the crystal-field ones. This can open the possibility to model the spectroscopic properties of Ln3+-doped nanometer-scale host materials.