Nano-optomécanique en cavité dans le régime de couplage ultrafort. – SinPhoCOM

L’objectif de ce projet est de développer et d’explorer une nouvelle approche en nano-optomécanique en cavité en insérant un nano-résonateur mécanique dans une cavité optique de très faible volume. On couple ainsi les vibrations du nano-résonateur au champ lumineux de la microcavité. Le but du projet est d’atteindre et d’étudier le régime de couplage ultra-fort, lorsqu’un seul photon intra-cavité est capable de déformer l’oscillateur de plus que ses fluctuations de point zéro. Cette déformation conduit également à une modification du champ intracavité, ce qui devrait alors rendre les systèmes envisagés non-linéaires et bistables pour moins qu’un photon intracavité en moyenne.

Ce régime représente un objectif fondamental en optomécanique en cavité, qui n’a pas encore pu être atteint à cause de la très faible force exercée par le champ électromagnétique associé à un photon unique. Ainsi la totalité des expériences dans le domaine ont été pour l’instant réalisées avec de très grand flux de photon, un régime dans lequel la non-linéarité intrinsèque du couplage optomécanique disparait, alors qu’elle représente une ressource intéressante pour l’optique quantique et l’information quantique.

Ce tour de force est envisageable à condition d’employer des nanorésonateurs mécaniques présentant des sensibilités en force record, démontrées au niveau de quelques 10zN/Hz^(1/2) à basse température (20mK), combinés à des microcavités optiques permettant de confiner fortement et d’exacerber le champ électromagnétique.

Le projet est motivé par les nouvelles applications envisageables en optique quantique et en information quantique, comme par exemple la mesure quantique non-destructive de l’intensité d’un faisceau laser fonctionnant à des puissances de l’ordre de quelques picowatts, basée sur la mesure du recul mécanique induit sur l’oscillateur par un seul photon intracavité. Ceci permettra de développer un système présentant des non-linéarités optiques à l’échelle du photon intracavité unique. De plus, dans ces régimes les fluctuations et valeurs moyennes des champs présentent alors une amplitude comparable, ce qui a été très peu étudié jusqu’à présent et ouvre la voie à de nouveaux développements théoriques et expérimentaux.

Les nano-résonateurs mécaniques employés sont des nanofils suspendus en carbure de silicium, largement étudiés ces dernières années à l’institut Néel pour effectuer des mesures de force ultrasensibles. Deux types de microcavités optiques seront utilisés: des microcavités fibrées développées au laboratoire Kastler Brossel dans l’équipe Atom chips, ainsi que des cavités à cristaux photoniques en InGaP développées au C2N. Ces deux systèmes diffèrent notamment par leur compacité et leur accordabilité, ce qui permettra de couvrir un plus large éventail d’applications, tout en permettant d’explorer et d’optimiser ces microstructures dans de nouveaux régimes. Les activités théoriques exploratoires seront menées au LOMA. Elles viseront à explorer en profondeur ce nouveau régime en optomécanique, permettant de générer des non-linéarités fortes à l’échelle du photon unique, avec des applications fondamentales en optique quantique et en théorie de la mesure.