SINgle-PHOnon NanoscopY – SINPHONY

Le projet SINPHONY veut faire entrer les mesures mécaniques en champ proche dans le domaine quantique expérimental. La théorie quantique postule que les échanges d’énergie entre systèmes physiques se réalisent avec une certaine granularité, en des quantités qui sont des multiples entiers d’un quantum d’énergie. Cette vision quantique des interactions n’a jamais été illustrée par des mesures mécaniques locales, du type de celles réalisées avec un microscope à force atomique (AFM). Détecter l’échange d’un unique quantum d’énergie entre un système physique et une sonde mécanique AFM, à savoir un phonon unique pour la sonde, représente le niveau ultime de sensibilité autorisé par les lois microscopiques, et constitue donc un enjeu scientifique et technologique considérable. Le projet SINPHONY a pour objectif d’atteindre ce régime expérimental, en combinant les expertises complémentaires de trois partenaires : MPQ (CNRS, Univ. Paris Cité), LETI (CEA Grenoble) et le LAAS (CNRS Toulouse). Il s’agit d’un défi ambitieux : les partenaires devront (i) développer et fabriquer des sondes AFM optomécaniques à la fréquence du gigahertz, (ii) les exploiter optiquement dans un cryostat à dilution, dans le régime quantique mécanique, (iii) développer dans cet environnement contraint des techniques de stabilisation et de contrôle du fonctionnement des sondes en champ proche, et des techniques de filtrage optique à 100 dB de réjection, afin de détecter les processus d’échanges de quanta uniques. Les trois partenaires travaillent ensemble depuis plusieurs années, et sont aujourd’hui en mesure d’aborder ces défis. Le projet démontrera une mesure de force en champ proche à la sensibilité du phonon unique, réalisée sur un nanosystème étalon. Comme application, une imagerie ultra-sensible à résolution spatiale nanométrique de modes phononiques sera démontrée, établissant un nouvel outil de nano-scopie de vibrations; puis la sonde sera employée pour préparer un état quantique simple ciblé dans le système étalon.