Thèmes de recherche

Le mouvement d’un résonateur mécanique mésoscopique, constitué d’un grand nombre d’atomes, peut manifester un comportement quantique lorsque celui-ci est refroidi. Un tel régime est accessible à des températures cryogéniques proches du zéro absolu, de l’ordre du millikelvin, et pour des résonateurs possédant des fréquences du gigahertz. Le couplage de tels objets mécaniques à la lumière fournit alors un moyen de manipuler leurs vibrations quantiques : les phonons, quanta d’énergie associés au mouvement mécanique, peuvent y être mesurés, ajoutés ou supprimés un à un, en interagissant avec des photons qu’il est possible de détecter individuellement.

Ce contrôle ultime du mouvement quantique devrait jouer un rôle important dans les applications de détection de haute sensibilité de signaux physiques, dans le développement des technologies de l’information quantique, ou encore dans des tests fondamentaux de la mécanique quantique sur des objets de masse intermédiaire, de l’ordre de la masse de Planck.

Pour explorer ces thèmes, notre équipe a développé des résonateurs nano-optomécaniques tout particuliers, où le couplage entre lumière et vibration, mais aussi les mécanismes de dissipation (optique et mécaniques), ont été optimisés. Nos expériences impliquent l’opération de ces systèmes dans un cryostat à dilution, où une instrumentation originale de nano-photonique a été conçue, qui combine nano-positionnement, microscopie confocale, et techniques d’optique quantique sur photons uniques.

Liste de nos publications clés sur le sujet :

. Physical Review Letters 105 (26), 263903 (2010)

. Optics Express 22 (12), 14072-14086 (2014)

. Optica 4 (2), 218-221 (2017)

. Physical Review Letters 120 (22), 223601 (2018)

. Physical Review Letters 124 (8), 083601 (2020)

. Physical Review A 101, 063820 (2020)

L’interaction entre l’optomécanique et les liquides est un sujet complexe qui mélange hydrodynamique, électromagnétisme, et théorie de l’élasticité.

Les liquides sont eux-mêmes des systèmes physiques complexes : ils sont constitués d’un très grand nombre de molécules en interaction. Si il est pratiquement impossible de suivre la trajectoire d’une molécule individuelle dans un liquide, les molécules adoptent pourtant collectivement des comportements réguliers, qui sont décrits par les équations de Navier et Stokes. Ces équations proposent une très bonne approximation des liquides à l’échelle macroscopique. A contrario, à des petites échelles spatiales et à des temps courts, la limite de validité de ces équations est en question. C’est précisément dans ce régime que peuvent opérer les nano-technologies promettant de nombreuses avancées dans la physique et les applications en milieu liquide.

Les systèmes optomécaniques, lorsqu’ils sont utilisés comme sondes physiques, présentent une sensibilité et une résolution temporelle exceptionnelles. Ces dernières années, notre équipe a par ailleurs démontré qu’ils sont compatibles avec une opération en milieu liquide, que ce soit en complète immersion ou en interaction avec un petit volume de celui-ci. Les systèmes optomécaniques apparaissent donc comme des candidats de choix pour tester les limites de validité des équations de l’hydrodynamique, mais aussi pour sonder des phénomènes prévus par ces équations aux échelles nanoscopiques et aux temps les plus courts. Une nouvelle génération de capteurs fondés sur les principes de l’optomécanique est ainsi en train d’émerger en milieu liquide, impactant la physique du mouillage à l’échelle nano, les technologies de bio-détection, ou encore les capacités d’imagerie des processus microscopiques du vivant. Notre équipe travaille sur les aspects amont comme aval de ces sujets.

. Nature Nanotechnology 10 (9), 810-816 (2015)

. Nature Communications 13 (1), 6462 (2022)

. Physics of Fluids 35 (5) (2023)

L’optomécanique met en interaction la lumière et les vibrations mécaniques. La polaritonique met en interaction la lumière et les excitations électroniques. Optomécanique et polaritons associent donc finalement la lumière et deux formes distinctes d’excitation de la matière. Ces trois entités peuvent interagir mutuellement, notamment dans les semiconducteurs, où des hétérostructures peuvent être finement dessinées pour contrôler et optimiser finement les interactions.

Nos recherches en optomécanique polaritonique ont ainsi permis de modifier l’image canonique de l’optomécanique, en remplaçant les photons par les polaritons, produisant des situations de couplage renforcé entre lumière et vibrations. Cette modification s’accompagne également de non-linéarités physiques décuplées, offrant de nouvelles opportunités pour le contrôle des états quantiques du mouvement et pour la formation de motifs spatio-temporelles des vibrations et de la lumière.

Enfin, l’optomécanique permet de sonder mécaniquement la physique des polaritons, ouvrant un nouvel outil d’étude dans le champ de la polaritonique.

 

Liste de nos publications clés sur le sujet:

. Physical Review Letters 112 (1), 013601 (2014)

. Physical Review A 95, 023832 (2017)

. Physical Review Letters 126 (24), 243901 (2021)

. Physical Review Letters 129 (9), 093603 (2022)

. Physical Review Letters 132 (12), 126901 (2024)

En optomécanique, les capteurs ont une nature duale : mécanique et optique. Ils se distinguent par leur sensibilité et leur résolution temporelle. La sensibilité résulte des dimensions nanométriques des dispositifs, et du principe de détection optique interférométrique en cavité. La résolution temporelle résulte des hautes fréquences mécaniques employées, et de la bande passante gigantesque des techniques optiques. Enfin, dans le régime quantique, les capteurs optomécaniques ne sont plus limités que par les lois fondamentales de la physique quantique.

Dans nos capteurs, une perturbation externe produite par l’environnement est détectée, bien souvent en mesurant un décalage en fréquence, mécanique ou optique. Dans les disques et anneaux optomécaniques que nous utilisons, il est par ailleurs possible de suivre plusieurs modes mécaniques et optiques en parallèle, pour reconstruire plus finement l’information.

Nous avons appliqué ces principes pour mesurer la masse et l’élasticité d’une nano-particule unique interagissant avec un capteur optomécanique, puis pour mesurer des virus inertes, et enfin pour mesurer la dynamique d’objets biologiques vivants individuels.

Nous développons également une sonde optomécanique et un microscope dédié pour la mesure de forces atomiques, avec une fréquence mécanique au gigahertz. L’ambition est de mesurer des interactions chimiques avec une résolution temporelle de l’ordre de la nanoseconde.

Les technologies optomécaniques devraient ouvrir de nouvelles fenêtres expérimentales en biologie moléculaire et dans l’étude de la dynamique des protéines. Ces domaines sont essentiels pour la compréhension des mécanismes du vivant.

Liste de nos publications clés sur le sujet :

. Nanoscale 12 (5), 2939-2945 (2020)

. Nature Nanotechnology 15 (6), 469-474 (2020)

. Physical Review Applied 14 (2), 024079 (2020)

. Nano Letters 22 (2), 710-715 (2022)

. Microsystems & Nanoengineering 8 (1), 32 (2022)