MIroirs CRistallins pour les détecteurs d'ONdes Gravitationnelles – MICRONG

La première observation d'ondes gravitationnelles provenant de coalescences de système binaires formés par des trous noirs binaires et des étoiles à neutrons a ouvert le champ de l'astronomie gravitationnelle. D'autres événements et de nouvelles sources d’ondes gravitationnelles seront détectées grâce aux améliorations de Virgo et de LIGO et au début de l'exploitation de KAGRA au Japon. En parallèle, la prochaine génération d'infrastructures consacrées à l'astronomie des ondes gravitationnelles est en préparation en Europe et aux États-Unis. Elles fourniront un outil unique pour sonder les lois de la physique fondamentale et de la cosmologie. Les détecteurs actuels et, plus encore les futurs détecteurs, sont limités par le bruit thermique affectant les miroirs de l'interféromètre. L'origine de ce bruit fondamental réside dans les revêtements optiques utilisés pour obtenir la haute réflectivité et les faibles pertes optiques requises. Aujourd'hui, ces revêtements optiques de haute qualité et de grande surface (330 mm) sont basés sur des matériaux amorphes. Dans ce projet, nous proposons de développer de nouveaux revêtements basés sur des multicouches AlGaAs monocristallins. Ces matériaux, en plus d’être de très bonne qualité optique, ont un bruit thermique trois fois inférieur à celui des matériaux utilisés pour les miroirs de Virgo et LIGO. Leur application aux grands miroirs utilisés dans les détecteurs d'ondes gravitationnelles nécessite d'améliorer encore leur qualité optique ainsi que leur taille. Afin d'atteindre cet objectif, ce projet rassemble l'expertise dans le domaine des détecteurs d'ondes gravitationnelles et des optiques à faible bruit de deux des laboratoires du CNRS participant à l'expérience Virgo avec l'expertise dans les matériaux III-V du CEA-LETI, de l’entreprise RIBER et du III-V Lab, un organisme privé de R&D créé conjointement par Nokia, Thales et le CEA. L'objectif final sera de démontrer la capacité de produire des miroirs basés sur des revêtements cristallins de 200 mm de diamètre et de préparer l'étape suivante pour des miroirs de 300 mm. La croissance sur des diamètres de 200 mm des revêtements cristallins à très faible bruit thermique en AlGaAs sera développée par III-V Lab, avec le soutien de RIBER qui contribuera avec des nouveaux outils de monitoring du processus de croissance développés en collaboration avec le CNRS. La croissance sera réalisée sur des substrats de GaAs ainsi que sur des substrats de Germanium. Le transfert du multicouches AlGaAs sur des substrats optiques en silice, saphir ou silicium sera pris en charge par le CEA-LETI. Les caractérisations optiques de miroirs finaux seront effectuées au CNRS/IP2I-LMA, le laboratoire qui héberge les équipements de caractérisations développés pour le projet Virgo. Enfin la mesure du bruit thermique des couches minces sera développée au CNRS/LAPP, le laboratoire qui a construit le système de détection pour l’interféromètre Virgo. Le projet rassemble parmi les meilleures compétences disponibles en France pour atteindre l'objectif de réaliser le premier miroir AlGaAs de 200 mm et ouvrir la voie à la réalisation de miroirs de ce type pour les détecteurs d'ondes gravitationnelles. Il s'agit d'un projet véritablement interdisciplinaire impliquant les équipes des différents domaines de la physique et de l'ingénierie, des secteurs public et privé, qui sont nécessaires à la réussite du projet. Ce consortium garantit également une large exploitation des technologies développées et des résultats obtenus dans d’autres domaines variés comme le développement et la production de masse de composants avancés basés sur la filière GaAs pour les communications, les senseurs 3D ou les LIDARs.