Atteindre l'état fondamental quantique d'un oscillateur nanomécanique à lévitation optique – QLeviO

Trois axes ont été menés en parallèle. L'ICMCB a développé une voie de synthèse originale par décomposition de l'hydrogène silsesquioxane en fluide supercritique pour produire des particules sphériques avec un cœur de silicium et une coquille de silice d'épaisseur contrôlable. Le LP2N a conçu et livré deux sources laser indisponibles commercialement : une source de piégeage de 7 W à 1550 nm (architecture MOPA, fibre Er-Yb codopée, RIN ≤ −160 dBc/Hz) et une source de refroidissement de 4 W à 1560 nm directement modulable au MHz. Le LOMA a adapté sa pince optique à 1550 nm, atteint des pressions inférieures à 10⁻⁸ mbar, et mis en œuvre une détection homodyne de la position axiale couplée à un contrôleur LQG implémenté sur FPGA pour le refroidissement du centre de masse de la particule en temps réel.

Le projet a produit deux résultats majeurs. D'une part, l'infrastructure expérimentale complète a été validée sur des nanoparticules de silice, avec démonstration du refroidissement de centre de masse et publication de deux articles à fort impact (Physical Review Letters, Nature Communications). D'autre part, une découverte fondamentale et inattendue : les nanoparticules Si@SiO₂ polycristallines s'évaporent systématiquement dès ~0,1 mbar. Deux diagnostics indépendants — intensité diffusée à 90° et taux d'amortissement translationnel — démontrent une perte de masse progressive lors de la descente en pression. L'origine est la nature semiconductrice du silicium : aux températures internes atteintes sous vide, la densité de porteurs libres thermiquement excités génère un canal d'absorption supplémentaire provoquant un emballement thermique. Un modèle couplant l'équation de la chaleur avec corrections semiconductrices à la loi de Hertz-Knudsen reproduit quantitativement les observations. Fait marquant : cette cinétique d'évaporation permet la première mesure de l'enthalpie de vaporisation sur un nano-objet isolé, sans contact ni substrat.

Le refroidissement à l'état fondamental 3D de nanoparticules de silice est l'étape immédiate, via un schéma de refroidissement transverse par déflecteurs acousto-optiques. En parallèle, la généralisation de la mesure d'enthalpie de vaporisation à d'autres semiconducteurs (Ge, GaAs, InP, GaN) constitue un nouveau programme de thermodynamique sur un objet unique. L'identification de conditions de synthèse permettant un cœur de silicium pleinement cristallin rouvrirait la voie originale de QLeviO vers l'optomécanique quantique basée sur le silicium.

L'oscillateur nanomécanique en lévitation présente certains avantages par rapport à ses homologues optomécaniques fixés à une paroi, comme par exemple sa capacité, pendant la chute libre et l'évolution cohérente, à étendre sa fonction d'onde jusqu'à recouvrir la taille de la particule. L'interférence onde-matière devrait permettre de tester les fondements de la mécanique quantique par le biais de modèles d'effondrement et de vérifier le rôle de la gravité en tant que limite fondamentale de la cohérence d'une superposition quantique macroscopique. Grâce à leur isolation extrême de l'environnement et au haut facteur de qualité mécanique, les particules en lévitation sont également des capteurs de force ultrasensibles capables de tester l'existence ou non d'une cinquième force, issue des théories au-delà du modèle standard.
Une condition préalable à la réalisation de ces études est le refroidissement du mouvement de centre de masse de la particule optiquement piégée. Il existe plusieurs types de schémas de refroidissement, tels que la rétroaction paramétrique et linéaire, ainsi que le refroidissement par bande latérale et par diffusion cohérente basé sur une cavité optique. Ce dernier a permis d'atteindre l'état fondamental pour un seul degré de liberté vibratoire.
Le LOMA est un pionnier en France dans l'étude du piégeage optique sous vide de nanoparticules diélectriques. Pour aller plus loin dans ce domaine, il est souhaitable de refroidir la particule dans les trois directions de l'espace de manière totalement optique. Notre protocole de refroidissement entièrement optique permettra de mesurer directement en temps réel de faibles forces.
Le projet QleviO propose de refroidir à l'état fondamental tous les degrés de liberté vibratoires d'une nanoparticule par pression de radiation sans nécessiter un résonateur optique ou un cryostat. Jusqu'à présent, le piégeage optique sous vide poussé limite les matériaux à la silice en raison de l'efficacité de la dissipation de la chaleur par les photons du corps noir émis. De fait, la qualité du matériau et des sources laser est de la plus haute importance. Pour contrôler l'état de mouvement des particules avec la lumière, l'indice de réfraction doit être élevé et l'absorption de la lumière doit être faible, tout en atténuant l'excès de chaleur dans le vide poussé.
Le seul laboratoire qui remplit le mieux toutes ces conditions est l'ICMCB qui produit des particules Si@SiO2 core@shell. Le cœur a un indice élevé et la coquille de silice dissipe efficacement l'excès de chaleur grâce à son émissivité supérieure. Il faut maintenant piéger et refroidir ces particules à la longueur d'onde la plus favorable, 1550 nm. Le bruit d'intensité de la source laser doit être minimisé aux fréquences de l'oscillateur. Les experts en sources laser de haute puissance à très faible bruit d'intensité sont au LP2N et développeront de telles sources : une pour le piégeage (et la détection du mouvement de la particule) et une source dédiée au refroidissement du mouvement de centre de masse. Les interactions entre les partenaires seront fortes et la stratégie consistera à travailler en parallèle sur les matériaux, la configuration optomécanique et les sources laser.
Il est remarquable que la quasi-totalité de l'information sur la position soit transportée par les photons rétrodiffusés, facilitant une mesure homodyne proche de la limite d'Heisenberg. Ainsi, pour atteindre l'état fondamental dans l'espace tridimensionnel d'une particule pincée optiquement, nous utiliserons la rétroaction quantique basée sur la mesure. Elle est basé sur le fait que nous pouvons résoudre le mouvement du point zéro dans le temps de l'échelle de décohérence et mettre en œuvre un contrôle de rétroaction basé sur la mesure pour refroidir l'oscillateur vers son état fondamental. En d'autres termes, la rétroaction en temps réel anticipe et annule la perturbation due au mouvement induit par le bruit de la pression de radiation.