Nano-Optomécanique

L’optomécanique, qui étudie le couplage entre la lumière et le mouvement mécanique, est un domaine en plein essor à l’interface de l’optique, de la physique de la matière condensée et de la physique quantique [a,b]. Il est aujourd’hui possible d’utiliser de la lumière laser pour refroidir le mouvement d’un oscillateur mécanique placé en cavité optique, une technique qui est en partie analogue au refroidissement laser d’atomes ou d’ions [c,d,e]. Le refroidissement laser d’un oscillateur mécanique jusqu’à de très basses températures le plonge dans un régime quantique de vibration, une manifestation originale de la physique quantique à l’échelle macroscopique. Ce régime quantique requiert des températures hors d’atteinte par cryogénie conventionnelle (sous le milliKelvin), mais que l’on peut atteindre par refroidissement optique. L’obtention d’un tel régime ouvre un nouveau champ d’étude : comment un oscillateur mécanique macroscopique perd-t-il sa cohérence quantique et transite vers un comportement classique ? Peut-on générer des états non-classiques de mouvement pour un oscillateur mécanique ? Quelles seraient les limites de performance d’un capteur micromécanique quantique ?

Nos recherches en optomécanique se focalisent sur des résonateurs semiconducteurs en forme de disques miniatures, réalisés en arséniure de gallium GaAs (voir image, diamètre quelques microns, épaisseur typique 200 nanomètres). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques haute fréquence (GHz) et des cavités optiques de haute qualité. Au sein d’un disque, les photons sont piégés à la périphérie par réflexion totale interne et circulent dans un mode de galerie, tel le son parcourant une galerie acoustique circulaire. Dans cette cavité confinant la lumière sur un volume sub-micronique, l’interaction lumière-matière est intensifiée et donne naissance à un couplage extrême entre optique et mécanique : la lumière circulant dans la galerie agit mécaniquement sur les vibrations de respiration du disque (via une force de radiation), et inversement les vibrations du disque affectent l’état des photons dans la cavité. Le couplage optomécanique géant dans un disque GaAs et en fait un excellent système pour étudier les phénomènes optomécaniques : refroidissement optique vers le régime quantique, régimes optomécaniques non-linéaires, applications de capteurs mécaniques à lecture optique ...

[a] I. Favero, and K. Karrai. "Optomechanics of deformable optical cavities". Nature Photonics 3, 201 (2009).

[b] M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg, and F. Marquardt. "Cavity optomechanics". Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014).

[c] P. F. Cohadon, A. Heidmann, and M. Pinard, “Cooling of a mirror by radiation pressure,” Physical Review Letters 83, 16, 3174 (1999).

[d] C. H. Metzger and K. Karrai, “Cavity cooling of a microlever”, Nature 432,1002 (2004).

[e] C. Metzger, I. Favero, A. Ortlieb, and K. Karrai. "Optical self cooling of a deformable Fabry-Perot cavity in the classical limit." Phys. Rev. B 78, 035309 (2008).