Quantum Dot OptoMechanics – QDOM

Le projet QDOM établit un pont, à l’échelle nano, entre deux thématiques à ce jour disjointes: l’optomécanique quantique en cavité (« Cavity Optomechanics ») et l’électrodynamique en cavité (« Cavity QED »). Ces deux domaines emploient une onde électromagnétique piégée en cavité, pour la faire interagir avec un oscillateur mécanique (en optomécanique) ou un atome (en cavity QED). Le projet QDOM réalise une hybridisation de ces deux domaines au sein de nanostructures semiconductrices. En effet, les systèmes nano-optomécaniques sur semiconducteurs ont connu un essor rapide ces trois dernières années, associant des couplages optomécaniques records, des fréquences mécaniques au dessus du GHz, et une dissipation optique et mécanique bien contrôlée. D’autre part les boîtes quantiques de semiconducteurs, notamment en Arséniure d’Indium (InAS) dans une matrice d’Arséniure de Gallium (GaAs), ont permis des avancées remarquables en électrodynamique en cavité à l’état solide, avec la réalisation de sources de photons non-classiques, l’obtention du régime de couplage fort et l’observation de non-linéarités à l’échelle du photon unique. Le projet QDOM exploite ces diverses avancées des nanostructures semiconductrices: en effet le système expérimental utilisé dans le projet est une cavité à géométrie de disque miniature en GaAs, possédant un volume de mode optique sub-micronique. Les modes de galerie de la structure, de très haut facteur de qualité, permettent d’établir un couplage des photons de cavité à la fois aux modes mécaniques GHz du disque, mais aussi à une boîte quantique unique InAs insérée dans le disque. Le couplage optomécanique record atteint s’associe à la possibilité de couplage fort de la boîte quantique au mode de cavité, pour faire des disques GaAs miniatures une plateforme de choix pour l’optomécanique à boîte quantique (Quantum Dot Optomechanics). Dans ce nouveau champ d’études proposé par le projet, on réalise un système tri-partite couplé: un photon interagit de manière contrôlée avec un émetteur unique cohérent (système à deux niveaux) et avec un mode mécanique. Le projet QDOM veut défricher ces nouvelles situations physiques, à la fois expérimentalement et théoriquement. Il s’attache d’abord à optimiser le design sur puce et les propriétés optomécaniques de résonateurs à disque GaAs intégrant des boîtes quantiques InAs. Une seconde partie vise au contrôle des mécanismes de déphasage d’une boîte quantique placée en cavité, pour améliorer leur utilisation dans un contexte optomécanique, et propose ensuite de développer une expérience de spectroscopie résonante d’une boîte unique couplée à un mode de cavité de disque GaAs. Ensuite des premières expériences d’optomécanique utilisant le couplage à une boîte unique sont abordées: l’observation d’une rétroaction optomécanique dynamique assistée par la boîte quantique, pouvant conduire au contrôle par la boîte du mouvement mécanique du disque, ensuite l’observation d’une modification par le mouvement mécanique de la réponse résonante d’une boîte quantique en cavité. Ces développements expérimentaux sont menés en parallèle de développements théoriques, qui visent à décrire quantiquement ces nouvelles situations physiques, avec un raffinement croissant. Le projet associe, sur deux laboratoires, trois équipes aux compétences complémentaires et internationalement reconnues: une équipe spécialisée en nano-optomécanique sur semiconducteurs (MPQ), une équipe spécialisée en en électrodynamique quantique en cavité à boîtes quantiques (LPN), et une équipe théorique spécialisée en électrodynamique et optique quantiques dans les semiconducteurs (MPQ). Toutes les conditions sont réunies pour avancer sur le nouveau front de recherche en nanoscience proposé par le projet.