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Nano-Optomécanique Quantique – Q-NOM

Systèmes hybrides spin- nanorésonateur mécanique

Coupler un nanorésonteur mécanique et un qubit<br />

Coupler un nanorésonteur mécanique et un qubit

Les efforts expérimentaux considérables déployés par plusieurs groupes dans le monde lors des 5 dernières années ont récemment permis d’amener et d’observer un oscillateur mécanique macroscopique dans son état quantique fondamental de vibration. L’objectif principal du projet était d’aller au-delà avec pour objectif de préparer des systèmes permettant à terme de créer des états mécaniques non classiques. Pour cela la stratégie développée consistait à coupler fortement l’oscillateur à un système quantique externe et à réaliser un couplage fort entre son état quantique et les vibrations de l’oscillateur. La combinaison de ces deux systèmes définit ce qu’on appelle un système hybride nanomécanique et ce projet a permis d’explorer les premières signatures du couplage entre un nanorésonateur et le spin électronique d’un centre coloré NV dans le diamant. On s’est attaché à étudier le couplage magnétique entre ces deux objets, basé sur de forts gradients du champ magnétique, et en particulier le régime de couplage paramétrique dans lequel les vibrations du nanorésonateur modulent l’énergie du qubit. L’objectif était de construire un système hybride dont les deux composantes pouvaient être mesurées simultanément, on a donc développé conjointement les techniques de mesure et de manipulation du nanorésonateur de taille sub-longueur d’onde permettant de réaliser des mesures de force ultrasensibles

Afin de concilier la dynamique du qubit et de l’oscillateur mécanique, on a généré une oscillation de Rabi sur le qubit à une fréquence voisine de la résonance mécanique. On a démontré que l’on pouvait alors synchroniser la dynamique du qubit sur une oscillation mécanique cohérente, ce qui a permis d’étudier la dynamique couplée des deux composantes du système hybride.
On a développé des techniques de mesure des vibrations des nanorésonateurs mécaniques, permettant de visualiser les déformations dans l’espace du nanofil employé. Ce caractère bidimensionnel a permis de développer des sondes de force vectorielles et ultrasensibles, au niveau de l’attonewton. On les a en particulier employés pour sonder l’action en retour du faisceau laser servant à effectuer la mesure, et identifier les zones où la topologie du champ de force n’induisait pas une instabilité optomécanique qui a été étudiée par ailleurs.
Enfin on a développé des techniques de mesure de vibration en régime de comptage de photon ce qui assure une perturbation minimale de la mesure optique et est compatible avec les mesures en environnement cryogénique ou pour les nanorésonateurs faiblement couplés à la lumière.

On a interfacé un qubit de spin unique avec une nanorésonateur mécanique couplés par effet Zeeman, en immergeant le système dans un fort gradient de champ magnétique. On a étudié la synchronisation du qubit sur l’oscillateur mécanique, assistée par un champ micro-onde. Cela a permis de mettre en évidence un triplet de Mollow phononique, une première signature fondamentale de l’habillage du qubit par le champ de phonon. On a également développé la nano-optomécanique de nanofils et démontré la possibilité de cartographier l’action en retour du laser servant à mesurer ses vibrations, mettant en évidence le caractère non-conservatif de l’interaction lumière matière.

voir le rapport final

O. Arcizet, et al, Nature Phys (2011)
First observation of a hybrid coupling between a nanomechanical oscillator and a single spin qubit.

I. Yeo, et al, Nature Nano. (2014)
Investigation of strain coupling between a quantum dot and the vibration of the supporting mechanical structure

S. Rohr, et al., Phys. Rev. Lett. (2014)
Investigation of a novel spin-locking mechanism enabled by a resonant microwave field, where the spin dynamics gets synchronized on a RF field,

A. Gloppe, et al, Nature Nano. (2014)
First report on nano-optomechanics of nanowire. Investigation of the dynamical backaction in a 2D force field and novel dynamical instability observed in regions of strong vorticity.

Olivier Arcizet a été recruté comme chargé de recherché au CNRS, dans le groupe Champ Proche de l’Institut Néel depuis décembre 2009. Cette demande de financement à l’ANR vise à soutenir le développement de ses activités de recherche au sein du laboratoire et son installation au sein de la communauté scientifique.

L’objectif du projet Nano Optomécanique Quantique est d’étendre la thématique de l’optomécanique en cavité à l’échelle nanoscopique et à observer les premières signatures quantiques dans de nouveaux systèmes hybrides constitué d’un nanorésonateur mécanique et d’un système quantique à deux niveaux.

Conséquence de leur faible masse et de leur importante susceptibilité mécanique, les nanorésonateurs représentent un outil idéal pour la mesure de faible force. Des sensibilités meilleures que l’attoNewton/Hz 1/2 ont ainsi déjà été obtenues expérimentalement, et en particulier ils pourraient permettre l’observation des premiers effets quantiques de la pression de radiation. De tels systèmes constituent naturellement des ponts vers les thématiques de la matière condensée à condition d’être capable d’enregistrer et de contrôler leurs vibrations. Pour ce faire un senseur de déplacement ultrasensible fonctionnant en champ proche optique sera développé, exploitant des microcavités optiques de très grande finesse.
Le cœur du projet vise à observer et à étudier le couplage d’un nano-résonateur à un émetteur quantique unique : un centre coloré du diamant, le centre NV chargé négativement. Ces défauts ont été très largement étudiés au cours de la dernière décennie, principalement à cause de leur capacité à générer des photons uniques à la demande et du contrôle important gagné sur leurs propriétés de spin électronique. Leur état fondamental est un triplet de spin pouvant être polarisé et manipulé par des techniques purement optiques et ont été exploités comme registre quantique démontrant des temps de décohérence records à température ambiante.

Les centres NV représentent donc des émetteurs quantiques éprouvés, fonctionnant d’ores et déjà dans un régime quantique et dont le couplage à un nano-résonateur mécanique à faible excitation thermique représente une prometteuse association en tant que système optomécanique hybride. En analogie avec les expériences d’ions piégés, il devrait être possible par exemple de contrôler et refroidir et le nanorésonateur mécanique en manipulant le système à deux niveaux.

L’étude de deux types d’interactions est envisagée : le couplage optomécanique résonant à l’état électronique (effet de recul, pression de radiation) et le couplage magnétique entre l’oscillateur et le spin électronique qui devrait permettre d’atteindre le régime de couplage fort.
Pour ce faire des nano-oscillateurs cristallins en diamant seront développés et exploités, à la fois pour leurs propriétés mécaniques uniques telles que la rigidité, l’importante conductivité thermique et la supraconductivité potentielle à basse température, mais aussi pour leur capacité d’héberger des centres colorés.

Les propriétés mécaniques de ces nano-résonateurs seront caractérisées à l’aide du senseur de nano-déplacements tandis que leurs propriétés optiques et électroniques seront étudiées sur un dispositif expérimental intégrant un microscope confocal et une source micro-onde permettant l’observation de résonances de spin.
Un dispositif cryogénique sera développé après une phase de caractérisation, afin d’observer les premiers effets quantiques dans ces nouveaux système hybride.

A vu du nombre croissant des publications ainsi que la qualité des groupes investis dans les thématiques de l’optomécanique en cavité et de la physique de centres NV, il est évident que ce projet se positionne à l’intersection de deux branches très compétitives de la physique moderne et nécessite un fort soutient de la part de l’ANR.

Coordinateur du projet

Monsieur Olivier ARCIZET (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES) – olivier.arcizet@grenoble.cnrs.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

CNRS CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES

Aide de l'ANR 693 056 euros
Début et durée du projet scientifique : - 36 Mois

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