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

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.