Atteindre le Régime Quantique d'un Oscillateur Mécanique Macroscopique – ARQOMM

Les oscillateurs micromécaniques tels que les MEMS constituent un sujet de recherche extrêmement actif aussi bien en physique appliquée qu'en physique fondamentale. Les progrès en miniaturisation réalisés grâce à l'essor de la microélectronique permettent par exemple d'utiliser des MEMS de dimension sub-micrométrique pour mesurer la force de Casimir. Un autre intérêt fondamental est lié à la possibilité de mettre en évidence les fluctuations quantiques d'un oscillateur mécanique macroscopique. Ceci aurait un intérêt non seulement au niveau des concepts généraux de la mécanique quantique, mais aussi dans une grande variété de domaines parmi lesquels on peut citer l'information quantique, l'optique quantique, ou encore la détection des ondes gravitationnelles. - - L'objectif du projet est d'atteindre le régime quantique d'un résonateur mécanique macroscopique, en utilisant une approche nouvelle et originale. Jusqu'à présent, tous les efforts expérimentaux réalisés dans le monde ont porté sur l'utilisation de nanostructures résonnant à des fréquences très élevées, mais dont les fluctuations sont mesurées par des techniques capacitives ayant une sensibilité relativement limitée. Nous désirons mettre à profit l'extrême sensibilité des méthodes de mesure optique de très petits déplacements, et utiliser une structure de plus grande taille sur laquelle un miroir est déposé de façon à mesurer optiquement ses fluctuations. Pour atteindre le régime quantique, le résonateur sera refroidi jusqu'à une température quasi-nulle en utilisant à la fois des techniques de cryogénie et de refroidissement par contrôle actif. - - Ces objectifs nécessitent de développer un résonateur très spécifique ayant des caractéristiques optiques et mécaniques poussées jusqu'aux limites technologiques actuelles, et de l'intégrer dans une expérience combinant une mesure optique de très grande sensibilité et un refroidissement actif très efficace. Le projet permettra aux équipes constituantes de réaliser ces objectifs, en associant les compétences uniques dans leur domaine de chacun des groupes : développement de micro-structures mécaniquement très pures ayant une taille de l'ordre de quelques dizaines de microns, dépôt de couches diélectriques à très faible perte, mesure optique ultra-sensible du résonateur. - - Les développements envisagés au cours du projet peuvent être classés selon quatre catégories différentes : étude et amélioration des propriétés mécaniques du résonateur afin d'obtenir des résonances isolées et de très grand facteur de qualité, notamment en développant un dispositif d'isolation mécanique efficace de la micro-structure ; réalisation d'un miroir déposé sur le résonateur ayant de très faibles pertes optiques ; développement d'un senseur optique capable de détecter les fluctuations quantiques du résonateur ; refroidissement du résonateur jusqu'à une température de l'ordre de 100 µK en réalisant une cavité optique cryogénique et un refroidissement par contrôle actif du résonateur. Les activités à mener dans ces quatre domaines sont interdépendantes, ce qui implique une collaboration étroite entre les trois groupes de recherche. - - Ces travaux devraient nous permettre de réaliser un micro-résonateur mécanique refroidi jusqu'à une température extrêmement basse, et de disposer des outils nécessaires pour observer ses fluctuations quantiques. Au-delà de l'intérêt fondamental d'observer le régime quantique d'un oscillateur mécanique macroscopique, ceci ouvrirait la voie à de nombreuses applications en physique quantique, comme l'intrication par couplage optomécanique entre la lumière et un système mécanique, l'étude de la décohérence d'un objet macroscopique, ou encore les limites quantiques dans les mesures interférométriques telles que les antennes gravitationnelles. - ...