A travers l’action exploratoire Carnot SpectroRF, le CEA Leti s’implique dans les systèmes de capteurs radiofréquences à base de spectroscopie optique atomique. L’idée sous-jacente de ce développement repose sur le fait que ces systèmes offrent des performances de détection exceptionnelles. Avec notamment, une sensibilité´ élevée (~nV.cm-1.Hz-0.5), des bandes passantes très larges (MHz- THz), une taille indépendante de la longueur d'onde (~cm) et une absence de couplage avec l'environnement. Ces avantages surpassent les capacités des récepteurs conventionnels a` base d'antennes pour la détection des signaux RF.
L'objectif de cette thèse est d'investiguer une approche hybride pour la réception de signaux radiofréquences, en combinant une mesure de spectroscopie atomique basée sur des atomes de Rydberg avec la conception d'un environnement proche à base de métal et/ou de matériau chargé pour la mise en forme et l'amplification locale du champ, que ce soit par l'utilisation de structures résonantes ou non, ou de structures focalisantes.
Dans le cadre de ces travaux, la question scientifique principale consiste à déterminer les opportunités et limites de ce type d’approche en formulant analytiquement les limites de champs imposables aux atomes de Rydberg, que ce soit en valeur absolue, en fréquence ou dans l’espace, et cela pour une structure donnée. L’approche analytique sera agrémentée de simulations EM pour la conception et la modélisation de la structure associée au banc de spectroscopie optique atomique. La caractérisation finale se fera par mesure dans un environnement électromagnétique contrôlé (chambre anéchoïque).
Les résultats obtenus permettront d'effectuer une comparaison modèle-mesures. Les modélisations analytiques ainsi que les limites théoriques qui en découlent donneront lieu à des publications sur des sujets qui n’ont pas encore fait l'objet d'investigations dans l’état de l’art. Les structures développées dans le cadre de ces travaux de thèse pourront faire l'objet de brevets directement valorisables par le CEA.

L'ingénierie de la dispersion (DE) désigne le contrôle de la propagation des ondes électromagnétiques dans une structure en modulant la relation entre la fréquence et la vitesse de phase. Grâce à des matériaux et des surfaces artificiellement conçus, il est possible d’ajuster cette relation afin d’obtenir des comportements de propagation non conventionnels, permettant ainsi un contrôle précis des effets dispersifs du système. Dans le domaine des antennes, le DE peut améliorer plusieurs aspects essentiels des performances en rayonnement, notamment la largeur de bande en gain, la précision de balayage du faisceau et, plus généralement, la réduction des distorsions inhérentes aux variations de fréquence. Il peut également permettre des fonctionnalités supplémentaires, telles que le fonctionnement multibande ou le comportement multifocal dans des antennes à lentilles ou réflecteurs.

Cette thèse vise à étudier les phénomènes physiques régissant le contrôle des vitesses de phase et de groupe dans des surfaces artificielles bidimensionnelles présentant des impédances effectives dépendantes de la fréquence. Une attention particulière sera portée aux architectures à alimentation spatiale, telles que les réseaux transmetteurs et réflecteurs, où la dispersion joue un rôle déterminant. L’objectif est d’établir des formulations analytiques permettant de contrôler simultanément le retard de groupe et le retard de phase, de développer des modèles généraux et d’évaluer les limites fondamentales de ces systèmes en termes de performances en rayonnement. Ce travail est particulièrement pertinent pour les antennes à très fort gain, domaine dans lequel l’état de l’art reste limité. Les conceptions actuelles basées sur le DE présentent généralement une bande passante étroite, et aucune solution compacte à très fort gain (> 35 dBi) ne parvient encore à surmonter les dégradations liées à la dispersion, telles que la baisse de gain ou le dépointage du faisceau.

Le doctorant développera des outils théoriques et numériques, étudiera de nouveaux concepts de cellules unitaires périodiques pour les surfaces d’impédance, et concevra des architectures d’antennes avancées exploitant des principes tels que le délai de temps réel, le fonctionnement multibande à ouverture partagée ou la focalisation en champ proche avec minimisation des aberrations chromatiques. Le projet explorera également des technologies de fabrication alternatives afin de dépasser les contraintes des procédés classiques de PCB et de libérer de nouvelles capacités de contrôle de la dispersion.