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Nano-optomécanique en milieu liquide

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Des systèmes optiques-mécaniques de taille miniature peuvent maintenant être opérés en milieu liquide, et y apporter leur sensibilité exceptionnelle dans la mesure de stimuli physiques. La fluidique à haute fréquence, les capteurs chimiques ou biologiques, pourraient à terme en bénéficier.

Les résonateurs optomécaniques combinent une cavité optique et un oscillateur mécanique, et permettent un couplage efficace entre lumière et mouvement mécanique. Ces dernières années, ces résonateurs ont été progressivement miniaturisés jusqu’à l’échelle nano, afin d’augmenter l’intensité du couplage, en confinant photons et phonons dans un volume d’interaction toujours plus petit. Ces développements ont été menés dans le contexte de l’optomécanique quantique, un domaine dans lequel les chercheurs visent à contrôler les états quantiques d’oscillateurs mécaniques à l’aide de la lumière. Au-delà de ces avancées en physique mésoscopique, les propriétés exceptionnelles des systèmes nano-optomécaniques pourraient trouver à s’exprimer dans d’autres domaines de la physique. Les capteurs nano-optomécaniques en milieu liquide sont un premier exemple de ces ouvertures à venir.

Des chercheurs de l’équipe DON ont développé puis optimisé ces dernières années des disques optomécaniques en semiconducteurs. Ces résonateurs optomécaniques miniatures, d’un rayon pouvant descendre à 500 nm, permettent un couplage extrême entre la lumière piégée dans les modes de galerie du disque et ses vibrations de respiration radiale, à une fréquence mécanique de quelques gigahertz. Leur intégration complète sur une puce photonique semiconductrice, où la lumière circule dans le plan de la puce, a offert aux chercheurs une interface naturelle avec les milieux fluidiques, en plongeant la puce dans une variété de liquides. Grâce aux techniques optomécaniques, le mouvement mécanique des résonateurs a pu être détecté avec une résolution de mouvement de 10-17 m/√Hz, un gain de plusieurs ordres de grandeur en sensibilité par rapport aux techniques généralement utilisées pour les capteurs nanomécaniques en milieu liquide. Ce gain en sensibilité est obtenu dans un régime de haute fréquence non-conventionnel, qui offre une bande-passante accrue dans l’acquisition de signaux physiques par voie mécanique. Les chercheurs ont établi de nouveaux modèles pour décrire l’interaction du mouvement haute fréquence d’un disque avec un environnement liquide arbitraire, et validé ces modèles sur plusieurs liquides. Leurs expériences et modélisations montrent que les disques nano-optomécaniques sont capables de surpasser les technologies existantes pour la détection de masse ou de changements rhéologiques en milieu liquide, que ce soit en sensibilité ou en bande passante. Leur intégration dense sur puce permet d’envisager une résolution spatiale de l’information et une acquisition massive de données parallèles, en tirant parti de la maturité technologique des semiconducteurs, appliquée à l’optique/mécanique.

Figure:

Représentation artistique d’un disque nano-optomécanique en interaction avec un liquide. Le résonateur en disque est accompagné de son guide de couplage optique, suspendu linéairement dans son champ optique évanescent.

Contact :

ivan.favero@univ-paris-diderot.fr

Référence:

High-frequency nano-optomechanical disk resonators in liquids, E. Gil-Santos, C. Baker, D. T. Nguyen, W. Hease, C. Gomez, A. Lemaître, S. Ducci, G. Leo, and I. Favero, Nature Nanotechnology 10, 810 (2015).