Laboratoire Charles Fabry

LIGHTinPARIS is a MSCA COFUND Doctoral Programme in the field of Sciences of Light aiming at promoting interdisciplinary, international and intersectoral research projects at University Paris-Saclay (UPSaclay). The Sciences of Light cover a very broad field, from fundamental physics to technological applications in photonics, quantum mechanics and biomedicine and open up an increasing number of technological applications. Among these sciences, photonics is one of the key enabling technologies identified in the Horizon Europe strategic plan. The Paris-Saclay region has been hosting numerous prestigious research laboratories for several decades. To gather its strengths, UPSaclay has been created in 2020 by grouping several academic and research institutions located in Saclay area. It joins 8,100 researchers working in 275 laboratories. UPSaclay was ranked 15th in the 2023 Shanghai University ranking, and 3rd in physics (1st in Europe) in the Global Ranking of Academic Subjects. Regarding Sciences of Light, UPSaclay gathers 700 researchers working in 28 laboratories across 5 graduate schools. UPSaclay graduates every year 150 engineers and 70 PhDs specialized in optics. In addition, UPSaclay hosts many world class research facilities. The Institute for the Sciences of Light (ISL) has been created in 2020 to foster interdisciplinary synergies among the graduate schools of physics, chemistry, engineering, geosciences and life sciences and promote international and intersectoral relations. The LIGHTinPARIS programme through ISL will recruit 30 PhD fellows (2 cohorts of 36 months each). Industrial and international secondments will also be implemented to allow PhD fellows to shape their careers by acquiring technical skills and networking relationships. Numerous trainings will also be offered to ensure that doctoral students have both technical skills and soft skills by the end of their PhD.

Ce projet expérimental porte sur les transitions de phase en 2D et les phénomènes critiques au niveau microscopique. Nous visons à étudier l'émergence de corrélations et de propriétés critiques près des transitions de phase, au niveau d'atomes individuels. Cela est rendu possible par les développements récents dans les expériences d’hélium métastable ultra-froid, au cœur de ce projet. Les transitions de phase se caractérisent par de grandes fluctuations et des lois d’échelle algébriques de quantités thermodynamiques avec des exposants critiques. Bien que largement étudiées en physique du solide à l’aide de sondes globales (les corrélations densité-densité), peu d’études ont utilisé des atomes froids, qui offrent une grande flexibilité et la capacité remarquable d'étudier les propriétés critiques avec la résolution d’un seul atome—une plateforme idéale pour tester notre compréhension microscopique des systèmes fortement corrélés. Nous proposons d’étudier les phénomènes critiques et les lois d’échelle près de transitions de phase avec une résolution à l’atome individuel. Nous nous concentrerons sur des transitions paradigmatiques du gaz de Bose en 2D : la transition de Berezinski-Kosterlitz-Thouless (BKT) dans les gaz "bulk" et la transition de Mott pour les gaz sur réseau en interaction. Le projet implique des modifications substantielles de la plateforme existante afin de préparer des systèmes homogènes en 2D pour atteindre les objectifs suivants : 1. Mesurer la longueur de cohérence et le contact à deux corps au cours de la transition BKT dans les gaz homogènes 2D. 2. Explorer l’émergence des corrélations non-gaussiennes dans les bosons de réseau en 2D. 3. Étudier le régime critique quantique de la transition de Mott. Ce projet tire parti de la capacité unique des atomes d'He* à mesurer les distributions d'impulsion atome par atome, et apportera des perspectives cruciales sur les mécanismes microscopiques en jeu dans les transitions de phase de systèmes corrélés.

Les biomédicaments, tels que les vaccins à ARN messager, les thérapies cellulaires ou géniques, connaissent un essor considérable grâce à leur efficacité et à leur potentiel face à de nombreuses maladies, notamment certains cancers et pathologies auto-immunes. Aujourd’hui, ils représentent déjà 60% des médicaments en développement. Un grand nombre d’entre eux reposent sur l’utilisation d’un nanovecteur qui est une nanoparticule de quelques dizaines de nanomètres qui transporte un principe actif (e.g., l’ARN des vaccins à ARN) jusqu’à sa cible dans l’organisme. L’usage de ces vecteurs (par exemple des virus) est nécessaire pour ces biomédicaments car sans lui le principe actif n’atteindrait pas sa cible, et l’effet thérapeutique serait nul. Cependant, les méthodes de production de ces biomédicaments sont imparfaites et mènent la fabrication d’un mélange de vecteurs pleins et vides (i.e. sans principe actif). L’existence de ces vecteurs vides est un problème majeur car ils diminuent l’efficacité du médicament et peuvent déclencher des réactions allergiques potentiellement dangereuses pour le patient. La taille nanométrique de ces vecteurs et le fait qu’ils aient la même forme, qu’ils soient vides ou pleins, rend très difficile le contrôle de leur chargement, aussi bien en phase de R&D que de production. Aujourd’hui, la technique de référence pour contrôler le chargement de vecteur est l’Analytical Ultra Centrifugation (AUC). Si elle fournit des résultats précis et fiables, elle présente des défauts rédhibitoires : (i) elle est chère, (ii) elle est trop lente (>10 heures pour une mesure), et (iii) elle utilise trop d’échantillon. Notre solution est un instrument de mesure optique et sans marquage équipé d’un logiciel d’analyse automatisé qui détecte les vecteurs individuellement dans une microgoutte d’échantillon. Il permet de mesurer le taux de vecteurs vides et pleins avec 50000x moins d’échantillon et en quelques minutes. L’objectif d’UNVEIL est de démocratiser cette technologie et d’en faire la méthode de référence pour le contrôle qualité du chargement de bio-vecteurs, afin d’accélérer, sécuriser et fiabiliser le développement de biomédicaments.

As in other Deep Tech areas, there is a shortage of qualified professionals in the field. This shortage is due to lack of education and training programs, unawareness of the career opportunities that the field poses, a rapidly evolving technology, and unfamiliarity with the different professional paths that the photonics ecosystems offers, among other. CARLA, the awarded project for the previous call, took on the challenge of promoting careers in photonics among students and researchers through the CARLA camps, photonics career camps. 360 CARLA seeks to build on the momentum created by the successful CARLA project, retain and increase the interest that the CARLA participants have acquired and expand the impact to more and more diverse university students and early-stage researchers. For that, we will create round up programs around photonics applications or markets, that we call verticals: 1) Health: Biotech and Medical Photonics; 2) Quantum Technologies/ Communications 3) Energy, Environment and Sustainability; and 4) Manufacturing/ Industry 4.0. These round up, cohesive programs will integrate career symposiums, mentorship, innovation and entrepreneurship experience and trainings. This will: - Increase the number of students and researchers interested in pursuing careers in photonics. - Appeal to additional STEM students and researchers attracted by the photonics application topic. - Provide participants with a round up, overall understanding of the landscape of the photonics ecosystem surrounding the corresponding vertical, supported by a network of contacts and mentors, experiences in photonics innovation and entrepreneurship and training. In addition, 360 CARLA will collaborate with other EU initiatives in the photonics space, working towards growing and better preparing the future workforce, or around the verticals, so that can leverage each other through sharing strategies, activities, content and dissemination channels.

SIROCO (SImple and RObust laser source with EU supply chain and Cavity and injection-free Optical parametric oscillator for spaceborne lidar) aims to reach EU independence for high-power lasers in the eye-safe region. A solution based on wavelength conversion from a 1µm laser will be matured, ensuring EU supply chain independence for power laser emission in the 1.5-3µm range. Such breakthrough laser will build the foundation of next greenhouse gases (GHG) spaceborne sensors by Integrated Path Differential Absorption Lidar (IPDA), by which GHG of interest can be probed in the 1.6μm or 2μm eye-safe regions. To meet the stringent spectral, spatial beam, and power properties required, efficient and versatile wavelength converters such as Optical Parametric Oscillators (OPOs) pumped by mature 1μm power lasers are key enabling technologies. This is also the approach in the European Methane Remote Sensing Lidar Mission (MERLIN). SIROCO will mature innovative critical optical space technologies to TRL6, including a hybrid fiber/bulk 1μm laser combined with a new Backward Wave OPO (BWOPO) concept. This will lead to a simplification shock compared to the state of the art, as no optical cavity is required (higher robustness and easier integration), nor any OPO seed source (higher compactness and simplicity in wavelength control). It will increase EU competitiveness by faster integrated, less risky, more sensitive future space IPDA. SIROCO will develop nonlinear crystals to ensure an EU supply chain, which are key components for various applications (general laser physics, IPDA emitters, quantum applications). Their exploitation path towards future space LIDAR and quantum communications will be delivered through two public technical roadmaps. SIROCO is a 4-year 3MEuros valued action, gathering renown research & academic organisations and SMEs, and supported by an Advisory Board with experts from the European Space research, Atmosphere Science and Quantum communities.

Le projet TERALEDx a pour objectif de développer un nouveau laser femtoseconde terawatt adapté à l'accélération laser-plasma. Après des avancées de recherche très rapides dans les 20 dernières années, cette méthode de génération de particules énergétiques se rapproche maintenant des applications. L'une des plus prometteuses est le contrôle non destructif (CND) par rayons X qui permet de détecter et dimensionner les défauts d’objets et de suivre leur évolution. Les secteurs concernés par le CND sont : l'énergie (nucléaire, pétrolière, gazière, hydraulique, éolienne, etc.) ; les transports terrestres (notamment ferroviaires) ; la marine ; l’aéronautique ; l’aérospatiale ; la défense et la sécurité… Pour répondre aux besoins industriels du CND, il faut changer de paradigme au niveau des méthodes d'accélération laser-plasma qui sont traditionnellement associées à de grandes installations lasers de forte énergie (> 1 J) par impulsion, dont le nombre mondial plafonne à une centaine. C'est l'objectif de SourceLAB, la seule entreprise au monde développant des sources de particules par accélération laser-plasma à visée industrielle. La stratégie de SourceLAB est de mettre au point une ligne de faisceau de particules à partir d'un laser femtoseconde de conception beaucoup plus simple dont les paramètres sont typiquement 10 mJ, 10 fs, 100 Hz au niveau de la cellule de gaz servant à l'accélération laser-plasma. Aujourd'hui, la réalisation d'une telle source est très ouverte car aucune des technologies traditionnelles des lasers femtoseconde (Ti:saphir ou ytterbium) ne répond pleinement au cahier des charges. C'est dans ce contexte que le Laboratoire Charles Fabry (LCF) propose une architecture laser totalement originale, basée sur des cristaux d'alexandrite pompés par LED. Le LCF a une expérience de 10 ans sur le pompage par LED de lasers accordables dans l'infrarouge proche via des concentrateurs luminescents. Lors d'un projet de recherche ASTRID (nommé ALEDxandrite), le LCF a fait la preuve de concept de ce nouveau type de pompage. Il a fait mûrir la technologie des têtes de pompage (milieu laser + système de pompe) jusqu'à un niveau TRL3 en développant une série de prototypes. Le pompage par LED combine les avantages des autres types de pompage, sans les inconvénients : robuste, simple et de faible coût, comme les lampes flash ; efficace, stable et de longue durée de vie comme les diodes laser. Dans une chaîne laser femtoseconde, le pompage est déterminant pour la qualité du laser. Ainsi, le pompage par LED a tous les attributs requis pour faire une chaîne laser à vocation industrielle. SourceLAB et le LCF ont donc décidé d'associer leurs compétences, qui sont complémentaires, pour développer un laser femtoseconde pompé par LED adapté à l'accélération laser-plasma. L'architecture est conçue de façon modulaire en intégrant dès le départ les exigences de l'accélération laser-plasma à vocation industrielle (contraste temporel, stabilité et opérabilité de la source). Le système laser est constitué de plusieurs blocs : la source délivrant les impulsions étirées temporellement puis les blocs de compression à réseaux et de post-compression permettant de réduire la durée à 10 fs par automodulation de phase dans une cellule de gaz. La chaîne laser comprend un oscillateur femtoseconde, un étireur d'impulsion et deux amplificateurs pompés par LED utilisant l'alexandrite comme milieu amplificateur. Ce cristal est accordable dans l'infrarouge proche (700-800 nm) et il a des propriétés mécaniques, spectroscopiques et thermiques exceptionnelles pour un milieu laser. Utilisé depuis longtemps dans les lasers médicaux, l'alexandrite a un fort potentiel de développement industriel. Pour donner la preuve de la pertinence de l'architecture, le projet TERALEDx a pour objectif final d'installer la chaîne laser sur la ligne d'accélération laser-plasma de SourceLAB afin de faire une campagne de mesures donnant les performances du système complet.

Au cours des dernières décennies, des champs optiques intenses et ultracourts ont été couramment utilisés pour un large éventail d'applications, allant de l'étude ultrarapide de l'interaction laser-matière à la production de faisceaux secondaires ultrarapides de particules et de rayonnements. L'impact considérable des lasers ultrarapides actuels, ainsi que les applications potentielles, posent des exigences sévères pour les caractéristiques clés des lasers ultrarapides de demain, notamment avec des puissances crête et moyennes plus élevées, des durées d'impulsion plus courtes et de meilleures efficacités à la prise. En particulier, les accélérateurs laser-plasma compacts à haut flux pilotés par laser (LPA), qui représentent une formidable application des lasers ultrarapides, pourraient grandement en tirer partie dans les domaines de diagnostic médical, de radiothérapie et d'imagerie à l'échelle de l'industrie. Si l'accélération laser-plasma est bien établie dans de nombreux laboratoires, l'un des principaux obstacles au déploiement à grande échelle des LPA est le très faible taux de répétition. En effet, les LPA sont aujourd'hui presque entièrement basés sur la technologie des lasers Titane-Saphir. Cependant, un changement de paradigme est en cours dans la technologie des lasers à haute puissance et ouvre aujourd'hui une voie entièrement nouvelle pour relever ce défi : les lasers Ytterbium (Yb) à haute puissance moyenne, post-comprimés à des durées d'impulsion courtes, apparaissent comme des solutions puissantes combinant à la fois les taux de répétition et les puissances crête les plus élevés. En particulier, l'invention récente d'une nouvelle technique de post-compression, basée sur les cellules multi-passages (MPC), ouvre un immense champ des possibles. Ce concept de quasi-guidage offre de nombreux avantages par rapport aux structures de guidage conventionnelles. Il a permis d'obtenir des résultats fondateurs, délivrant des impulsions inférieures à 50 fs à des puissances moyennes supérieures à 1 kW, a permis la post-compression femtoseconde à des énergies d'impulsion supérieures à 100 mJ avec de grands facteurs de compression, et permet également d'accéder à des impulsions particulièrement courtes, de quelques cycles optiques seulement. Ainsi, les MPC jouent aujourd'hui un rôle majeur dans de multiples domaines, et notamment celui de l'optique ultrarapide. Toutefois, les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent ces systèmes non-linéaires de quasi-guidage sont encore assez mal compris. Ces considérations impliquent de relever les principaux défis suivants : ● Comprendre la physique inhérente aux couplages spatio-temporels et aux caractéristiques des impulsions dans les MPC. En particulier, il convient de développer des méthodes permettant d'obtenir des impulsions de quelques cycles de classe TW post-comprimées avec un contraste d'impulsion temporel élevé et une excellente qualité de faisceau spatial. ● Les systèmes de quasi-guidage MPC présentent d'excellentes capacités d'évolution en termes d'énergie. Cependant, les méthodes de mise à l'échelle des systèmes de post-compression au niveau multi-100 mJ et à faible encombrement doivent encore être démontrées. Relever ces défis nécessitera le développement de concepts théoriques profonds de la physique sous-jacente ainsi que des efforts numériques et expérimentaux dédiés, ciblant la compression et le nettoyage temporel d'impulsions femtoseconde, ainsi qu'une mise à l'échelle efficace et compacte de l'énergie. Cela permettra la démonstration finale d'impulsions laser multi-TW de haute qualité à des taux de répétition de l'ordre du kHz pour les sources LPA de nouvelle génération, avec des perspectives qui changeront la donne pour les systèmes laser hautement énergétiques de manière générale.

The Framework for Programmable Atomic Large-scale Quantum Simulation (PASQuanS2) aims to transform the European landscape for programmable quantum simulators, delivering internationally leading platforms involving over 1000 neutral atoms in optical tweezer arrays and also in optical lattices. Over a Framework Partnership Agreement delivering two Specific Grant Agreements, we will bring together partners from academia and industry (including technology enablers, platform developers, and end-users) to address central technological challenges. We will connect technologies across national borders and use our combined expertise and technologies to further scale up the system size, reduce noise and temperature, and improve stability. We will test and transfer know-how between trapped ion and neutral atom platforms and integrate the hardware with application-specific software stacks for analogue solutions of relevant real-world problems, including verification and optimal control techniques. We will facilitate the expansion and networking of the supply chain and startup companies delivering platforms, ensuring the ultimate delivery of technology readiness level (TRL) 6-7 quantum simulators, including both cloud-based platforms, and quantum simulators linked with existing high-performance computing infrastructure. We will work with the end-user community across academia and industry to identify new specific applications where quantum simulators provide a practical quantum advantage over traditional high-performance computing. We will particularly address potential applications in materials science, quantum chemistry, logistics, and optimisation – which are relevant across many sectors. We will also deliver a clear plan for dissemination, exploitation, and communication. This will include developing and protecting intellectual property, and to expand awareness of quantum simulators and their capability and applications amongst policy makers, industry, and the general public.

The project Programmable Atomic Large-scale Quantum Simulation (PASQuanS2.1) is the first decisive step toward the transformation of the European landscape for programmable quantum simulators, finally delivering internationally leading platforms involving over 1000 neutral atoms in optical tweezer arrays and also in optical lattices. In the context of this Specific Grant Agreement, we will bring together partners from academia and industry (including technology enablers, platform developers, and end-users) to address central technological challenges. We will connect technologies across national borders and use our combined expertise and technologies to scale up the system size, reduce noise and temperature, and improve stability. We will test and transfer know-how between trapped ion and neutral atom platforms and integrate the hardware with application-specific software stacks for analogue solutions of relevant real-world problems, including verification and optimal control techniques. We will facilitate the expansion and networking of the supply chain and startup companies delivering platforms, en-route to the delivery of technology readiness level (TRL) 6-7 quantum simulators, including both cloud-based platforms, and quantum simulators linked with existing high-performance computing infrastructure. We will work with the end-user community across academia and industry to identify new specific applications where quantum simulators provide a practical quantum advantage over traditional high-performance computing. We will particularly address potential applications in materials science, quantum chemistry and in optimisation. We deliver a clear plan for dissemination, exploitation, and communication. This includes developing and protecting intellectual property, and to expand awareness of quantum simulators and their capability and applications amongst policy makers, industry, and the general public.

The quantum properties of photons -- allowing low-loss long-distance transmission, multiplexing large amounts of quantum information into a single channel, and operations in standard, room-temperature settings -- yield great promise for scalable quantum computing (QC). However, low interaction is their great weakness for quantum information processing (QIP), as quantum circuits require photon-photon interactions. To date, two-photon interactions have only been facilitated either probabilistically with low efficiency or between individual photons via intermediaries with errors much too large for practical QIP. PANDA has an ambitious core goal of building the foundation for a photonic quantum computer: an array of neutral rubidium atoms with subwavelength spacing carefully designed to harness collective effects to implement lossless, deterministic photon-photon interactions. Combined with novel high-efficiency single-photon handling, we will construct a powerful platform for strong, efficient, controllable non-linear operations with many QIP applications. These include deterministic two-photon quantum gates with unprecedented efficiency and repeat rates. We will especially apply our platform to continuous-variable (CV) QIP, particularly Measurement-Based QC, which fully utilizes quantum light field advantages, but has been hindered by the lack of deterministic non-Gaussian photon state generation and is not addressed in the Quantum Flagship. Using our platform for deterministic photon subtraction will address this and, with a CV theory roadmap we will develop, pave the way for photonic QC. Our two-photon gates will also be applicable to Discrete-Variable QIP, placing PANDA in a complementary position to many possible portfolio projects. PANDA incorporates world-class experimentalists and theorists from leading research groups and SMEs with the expertise required to develop core technology that will both yield marketable IPR and fulfill our ambitious objectives.

In the CORSAIR project, I propose to study and control subradiance, namely the suppression of collective spontaneous emission, in sub-wavelength arrays of two-level atoms, using a new atomic physics platform. Understanding and controlling how an ensemble of quantum emitters collectively emits or absorbs light is vital in several areas of science and technology. However, the description of this problem is a challenge since it amounts to a dissipative quantum many-body problem. This is why I propose to develop a new experimental research direction towards the following specific objectives: (i) The building of an experimental platform able to create ordered 1D and 2D arrays of atoms with sub-wavelength spacing, and high-fidelity detection of excitations in the arrays. (ii) The selective excitation of subradiant excitations, i.e., where collective spontaneous emission is strongly suppressed. I will develop an addressing scheme to populate a subradiant state with high fidelity and perform experiments demonstrating tailored light storage and retrieval, and metrological enhancement by subradiance. (iii) The understanding of how atomic correlations can be dissipatively engineered via subradiance. I will strive to observe the fermionic correlations that are predicted to emerge from collective decay in arrays, and I will map the phase diagram of a driven two-level atomic array. These objectives will be reached by developing dedicated new tools. I will use dysprosium, an atomic species with properties that allow novel cooling and trapping schemes that I propose to use. In the rich spectrum of Dy, I will isolate a two-level system with a narrow linewidth. I will further develop a novel addressing tool, that allows to drive an array with an alternating phase profile which directly excites a subradiant excitation. I will rely on a broad transition to perform time- and position-resolved high-fidelity measurements of excitations and correlations in the two-level arrays.

Les nouvelles stratégies de gestion des eaux usées ou d’irrigation ne pourront se faire sans être accompagnées d’un suivi sanitaire. La présence d’agents pathogènes (notamment bactériens) doit être détectée de manière rapide et directement sur site. Parmi les méthodes de détection existantes les biocapteurs plasmoniques (SPRI) sont de plus en plus utilisés, et sont des candidats prometteurs en tant que dispositifs transportables. Ces capteurs d'affinité doivent leur spécificité aux ligands moléculaires utilisés pour capturer les cibles. Leur dynamique est cependant limitée par le temps de capture des cibles requis pour un signal fiable, qui peut être très long à faible concentration. Le transport actif par champ électrique (ou DEP, ACEO) peut alors s'avérer très efficace pour une détection sensible et rapide. Nous proposons donc de développer un système SPRI-DEP-ACEO entièrement configurable, à dynamique rapide et à faible seuil de détection pour la biodétection sans marquage de bactéries pathogènes, des plantes notamment comme du genre Dickeya responsable chaque année de lourdes pertes financières pour les agriculteurs.