Émile Prêle

Institut Néel - CNRS & Université Grenoble Alpes
Dir. Dr. Alessandro Monfardini - Directeur de Recherche - CNRS
Dr. Martino Calvo - Ingénieur de Recherche - CNRS

Résumé. Les détecteurs supraconducteurs à inductance cinétique (KID - Kinetic Inductance Detectors) sont une implémentation particulière de la classe plus large des résonateurs supraconducteurs. Dans un KID soumis à un apport externe d'énergie sous forme de photons ou de phonons, les porteurs supraconducteurs, les paires d'électrons dites de Cooper, peuvent être brisées, ce qui entraîne un signal électrique mesurable. La technologie est arrivée à maturité pendant les années 2010, notamment grâce à la mise en œuvre d’instruments astronomiques basés sur des KID, comme NIKA et NIKA2 à Pico Veleta, ainsi que DARKNESS à Palomar. 
Plus récemment, un nombre croissant de groupes en Europe, aux États-Unis et en Asie investissent considérablement dans cette technologie et déploient des imageurs et polarimètres basés sur les KID. Une des nouvelles frontières consiste désormais à élaborer des procédés de fabrication très fiables pour garantir l’uniformité des performances sur des dizaines milliers de pixels. 
Dans ce cadre, on développera pour le télescope KAIROS (KID Array Instrument to Reveal the Origin of Structures) un plan focal contenant environ 30,000 résonateurs/pixels et qui sera dédié à la mesure de la polarisation des avant-plans galactiques (e.g. poussière interstellaire) à 280 GHz et 340 GHz. Cet instrument sera déployé au Chili (Cerro Toco) et intégrera le “Simons Observatory” (SO). SO est l'expérience de référence pour les années 20s et très probablement au-delà pour la mesure de la polarisation du Cosmic Microwave Background (CMB). Cette dernière contient des informations uniques sur la période, très primordiale, de l’inflation cosmique.

Motivation

« Au cours de mon cursus à l’ENS et en M2 recherche, j’ai pu acquérir des connaissances scientifiques approfondies dans les domaines de l’instrumentation, l’électronique, l’informatique et la mécanique. Les exigences de ces formations m’ont permis d’acquérir une rigueur scientifique, en particulier en matière de recherche (protocoles expérimentaux, publication d’articles) ainsi que des compétences en gestion de projet. J’ai également développé des qualités pédagogiques, confirmées par l’obtention de l’agrégation en Sciences industrielles pour l’ingénieur, spécialité génie électrique. Le financement CDSN me permettra de développer sereinement mon projet de thèse sur l’instrumentation et les détecteurs KID pour l’astronomie.
Mon choix d’intégrer l’ENS s’explique par mon fort intérêt pour la recherche et le désir de faire progresser les connaissances scientifiques par les développements instrumentaux. La poursuite en doctorat constitue donc l’aboutissement de ce projet, qui me permettra de confirmer mon attrait pour une carrière de chercheur ou d’enseignant-chercheur.
Le domaine de l’astronomie et de l’astrophysique a toujours attiré ma curiosité, depuis le lycée où j’effectuais par exemple de l’astrophotographie des nébuleuses et galaxies “proches” (M42, M31…) pendant mon temps libre. Cela s’est confirmé en rencontrant des chercheurs et ingénieurs travaillant à ce domaine (Observatoire de Paris, Laboratoire AstroParticules et Cosmologie de Paris en 2019) et en particulier une équipe de recherche en instrumentation de la NASA à Washington DC (juillet 2023) travaillant sur des capteurs supraconducteurs de satellites (Projets Athena, Lynx).
Au cours de mes années de formation, je me suis passionné pour les domaines de l’instrumentation et de l’électronique, qui allient des concepts fondamentaux à un travail expérimental.  Mon stage de L3 à l’institut Néel de Grenoble a renforcé intérêt pour ces domaines. Il portait sur la conception et la validation d’une matrice de capteurs fonctionnant à ultra-basse température (4K) pour l’étude des mouvements convectifs au-dessus de l’hélium liquide. Ce sujet permettait de modéliser les phénomènes convectifs causés par les mégafeux. Cela m’a permis de découvrir le monde de l'instrumentation cryogénique avec tous les défis très stimulants qui y sont associés : choix des composants, contraintes de design des circuits, dimensions limitées d’un cryostat... J’ai beaucoup apprécié le caractère très expérimental du laboratoire, qui cherchait à s’appuyer avant tout sur l’expérimentation pour prouver des concepts particulièrement abstraits. Mes compétences en mécatronique acquises à l’ENS et en microélectronique développées pendant mon M2 ICS me semblent parfaitement adaptées à une poursuite dans le domaine de la recherche appuyée par l’instrumentation.
Ce travail de doctorat sur les détecteurs KID pour l’astronomie correspond à un aboutissement, permettant d’allier ma volonté de travailler sur de l’instrumentation de pointe, dans des systèmes très contraints par l’environnement (très basse température, ultravide, très haute fréquence, bas bruit, haute résolution) avec une application dans un domaine qui me fascine, l’astronomie. J’effectue d’ailleurs mon stage de M2 dans ce même laboratoire, sous la direction d’Alessandro Monfardini, avec pour sujet le Développement de Détecteurs Supraconducteurs à Inductance Cinétique (KID) pour l'Étude de l'Émission polarisée des Poussières Interstellaires. Ce stage me permettra d’appréhender au mieux ce projet de doctorat, et de me familiariser avec le contexte de la thèse, les nouvelles notions et le matériel.»