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

Le projet exploite des nanofils suspendus en carbure de silicium, permettant d'atteindre des sensibilités en force record. Leur extrémité vibrante , de diamètre sub-longueur d'onde (150nm) a été insérée dans le champ lumineux de deux microcavités différentes, des cavités Fabry Perot fibrées opérant à 800nm et des cavités à cristaux photoniques à 1550nm.

Les nanofils sont couplés paramétriquement aux modes optiques des cavités dont la fréquence de résonance varie avec la position du nanofil dans le mode optique. La cartographie de ces variations de fréquence et de finesse permet d'établir la force et la direction du couplage optomécanique, ainsi que le couplage par photon. Dans les deux cas, il a été démontré que ces approches permettaient de largement atteindre le régime de couplage ultrafort, dans lequel un seul photon peuplant le mode de cavité est capable de générer une force déplaçant l'oscillateur de plus que ses fluctuations de point zéro. Ce régime extrême, peu ou pas étudier jusqu'à présent, requiert de positionner le nanofil aux lieux de couplage maximal, avec une précision bien plus petite que la longueur d'onde.

Pour compléter ces mesures optiques, on a cherché à mesurer et cartographier la force générée par le champ intracavité en mettant en oeuvre des methodes pompe sonde. Cela a d'abord permis de vérifier que le nanofil était sensible à la force générée par un faible nombre de photons dans le mode de cavité avec une sensibilité de l'ordre de 300 aN/photon. Nous avons ensuite établi les cartes du champ de force optomécanique et avons pu vérifier quel les propriétés mécaniques du nanofil étaient complètement gouvernées par le champ de force optomécanique, même à très petit nombre de photons.

Ces techniques de scanning probe ont également été mises en oeuvre afin d'étudier le couplage optomécanique interne entre les modes optiques des cristaux photoniques et leurs modes de résonance mécanique au GHz.

Du point de vue théorique, on a modélisé l'interaction lumière nanofil en prenant en compte les résonances internes au nanofil.

On a étudié le régime de couplage adiabatique, dans lequel la bande passante de la cavité est plus importante que le taux de couplage et la fréquence mécanique, et en particulier le régime transitoire.

On a enfin modélisé exploré le couplage entre un nanorésonateur et un système à deux niveaux, présentant un interaction suffisamment forte pour rendre le résonateur mécanique non-linéaire au niveau du phonon unique, des régimes expérimentaux accessibles sur des nanotubes fortement couplés à des boites quantiques internes.

La première expérience couplant les vibrations d'un nanofil au mode optique d'une cavité fibrée a permis d'établir une carte du couplage optomécanique et de démontrer des constantes de couplage quelques GHz/nm, se convertissant en une constant de couplage de quelques MHz par excitation fondamentale. Cette valeur est largement supérieure aux fréquences de vibration des nanofils (10 kHz), ce qui a démontré la possibilité d'atteindre le régime de couplage ultrafort adiabatique, la bande passante de la cavité étant de l'ordre du GHz. On a pu identifier les lieux de couplage maximum, et imager les noeuds et les ventres de l'onde stationnaire. On a ensuite mesuré la force et la carte de force optomécanique exercée par le champ intracavité, grâce à des mesures pompe sonde. On a vérifé que le nanofil était suffisamment sensible pour détecter la force générée par une modulation du nombre de photon intracavité inférieure à un photon, et avons ensuite établi la carte de la force optomécanique. Ce champ de force présente des gradients qui contrôlent les propriétés mécaniques du nanofil, et ce pour quelques photons uniquement dans le mode de cavité.

Une étude théorique a permis de modéliser le système, en prenant en compte les résonances optiques internes au nanofil.

La seconde expérience, a consisté à explorer avec le nanofil le champ évanescent d'une cavité à cristal photonique. On a pu imager la structure détaillée du champ lumineux, sa relation avec les positions de trous du cristal. En mesurant la carte de force optique, nous avons mis en évidence puis compensé les champs électrostatiques résiduels présents à la surface du crystal, ce qui a permis de s'affranchir de leur contribution parasite et retrouver un champ de force en accord avec la structure du couplage optomécanique mesuré. On a également pu étudier la structure de l'action en retour dynamique de la cavité, produisant un ressort optique, des décalages de fréquence mécanique apparaissant lorsque le laser et désaccordé, dont - on a analysé la topographie complexe apparaissant dans un champ de force optomécanique très structuré.

Les travaux théoriques ont étudié le couplage optomécanique dans le cas du régime adiabatique. Ils ont d'abord étudié le régime transitoire, puis mis en évidence l'apparition d'un régime dans lequel l'oscillateur évolue dans un potentiel effectif quartique, très non-linéaires, donnant lieu à des spectres de fluctuations universels. Ils se sont ensuite attelés à explorer le couplage entre les vibrations d'un nanotube et l'état de charge d'une boite quantique interne, présentant un couplage suffisamment intense pour réaliser un qubit mécanique, c'est à dire un système non linéaire dès les premiers phonons.

Ces travaux ont démontré l'intérêt des nanofils suspendus pour étudier la topographie de champs électromagnétiques confinés, avec une résolution sub-longueur d'onde et un très grande sensibilité en champ.

En refroidissant l'oscillateur mécanique afin de réduire son agitation thermique, il devrait etre possible d'entrer dans un régime où ses fluctuations de position sont gouvernées par les fluctuations quantiques du champ intracavité, et ceci pour une population moyenne proche de l'unité.

On pourra alors étudier les limites du modèle semi classique, puisque les fluctuations et le champ moyen auront un impact comparable sur le nanofil. Cependant il ne sera alors plus question de se limiter au seul mode optique d'intérêt, et les fluctuations de tous les modes devront être prises en compte, offrant ainsi une connexion entre l'optomécanique à faible nombre de photons et les forces de Casimir.

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.