Micro et nano-optomécanique en régime quantique – MiNOToRe

D’un point de vue théorique, l’optomécanique a vu le jour à la fin des années 70 dans le contexte des mesures de grande sensibilité, notamment celui de la détection des ondes gravitationnelles, quand Braginsky, Caves et d’autres chercheurs ont discuté l’impact des fluctuations quantiques de la lumière sur la sensibilité des grands interféromètres qui étaient alors en projet. Mais l’optomécanique expérimentale n’est apparue que 20 ans plus tard, et n'est devenue un champ de recherche très actif que seulement très récemment, quand des progrès simultanés sur les sources laser (en termes de stabilité et de fonctionnement à faible bruit), sur la micro- et la nanofabrication, les traitements réfléchissants à faibles pertes et la cryogénie sans vibration ont permis de réaliser des expériences d’optomécanique beaucoup plus proches du régime quantique. Le couplage optomécanique a des conséquences sur les propriétés quantiques du rayonnement (squeezing optomécanique), sur le résonateur mécanique (mise en évidence expérimentale de l’état quantique fondamental du résonateur mécanique), ou sur les deux, avec l’objectif ambitieux d’intriquer un résonateur avec la lumière, ou deux résonateurs entre eux grâce à la pression de radiation.

Notre projet vise à réaliser un certain nombre d’expériences-clé dans ce domaine. En rassemblant l’expérience et les compétences de quatre laboratoires (le LKB qui joue un rôle pionnier dans ce domaine ; le LPN avec une expertise et des installations de haut niveau en nanofabrication ; le LMA, leader mondial dans le domaine des traitements à faibles pertes ; l'ONERA qui dispose d'une expertise reconnue sur les résonateurs mécaniques ultra-stables), la collaboration présente des compétences qui couvrent l’ensemble des étapes du travail expérimental. Un tel travail collaboratif est indispensable pour réaliser l’ensemble des expériences envisagées et le projet permettra à la collaboration d’asseoir sa position actuelle de leader dans la compétition internationale, et aussi d’établir des bases solides pour de futures expériences, une fois le régime quantique de l’optomécanique bien établi.

En utilisant les modifications apportées par une cavité à miroir mobile aux propriétés de la lumière, nous mettrons ainsi en évidence du squeezing optomécanique, avec des caractéristiques uniques permettant d'utiliser la réponse mécanique pour faire varier la quadrature comprimée. Par ailleurs, nous utiliserons le refroidissement laser dans une cavité de grande finesse pour mettre en évidence l’état quantique fondamental d’un résonateur mécanique, en profitant du fait qu’à la différence des systèmes rencontrés dans les expériences de matière condensée, les systèmes optomécaniques proposent des signatures claires de l’état quantique fondamental. Les deux expériences envisagées sont fortement reliées, même si elles nécessitent chacune une optimisation spécifique du résonateur optomécanique. Les propriétés optomécaniques d’un système sensiblement différent, un cristal optomécanique avec des possibilités uniques d’intégration sur puce, seront également étudiées et utilisées pour le refroidir jusqu'à son état fondamental.

A plus long terme, l’observation de tels phénomènes purement quantiques avec des objets macroscopiques est non seulement d’un grand intérêt conceptuel, mais également un pré-requis essentiel pour la préparation d’états non-classiques du mouvement, et, d’un point de vue plus appliqué, pour le développement de senseurs micro- et nanomécaniques avec une sensibilité inégalée. Des applications sont envisageables dans les domaines de la détection de molécule unique, des commutateurs optiques, ou des systèmes quantiques hybrides pour le stockage et le transfert de l’information quantique.