Le mouvement d’un résonateur mécanique d’échelle mésoscopique peut présenter un comportement quantique lorsque celui-ci est refroidi à de très basses températures. Il peut notamment atteindre son état fondamental et cesser de vibrer. En utilisant la lumière comme sonde, l’équipe LIME du laboratoire MPQ a démontré que des disques optomécaniques pouvaient atteindre ce régime. Ce travail publié dans Physical Review Letters est une étape importante vers la manipulation des vibrations quantiques de ces dispositifs.
(Gauche) Image au microscope électronique à balayage d’un disque optomécanique. (Droite) Mesure de thermométrie par comptage de photons diffusés dans les bandes latérales optomécaniques (Stokes en bleu, anti-Stokes en rouge). A faible puissance optique, le disque atteint une occupation moyenne inférieure à 1 phonon.
À température ambiante, les atomes qui constituent un objet oscillent en permanence sous l’effet de l’agitation thermique. Pour révéler les propriétés quantiques d’un dispositif mécanique, cette agitation doit être quasiment supprimée, par refroidissement. Une façon d’accéder alors à la température effective du dispositif est de coupler son mouvement à de la lumière et de mesurer cette dernière. C’est ainsi que l’équipe LIME a procédé pour démontrer le refroidissement d’un disque optomécanique très proche de son état fondamental du mouvement, le « vide de phonon » (le quantum de vibration).
Les disques utilisés sont des objets de taille micrométrique en matériau semiconducteur (arséniure de gallium) qui vibrent à haute fréquence (GHz). Au fil des années, ils ont permis de réaliser de nombreuses avancées en tant que capteurs – en magnétométrie, en rhéologie haute fréquence des fluides, dans la mesure de masse d’objets nanoscopiques individuels – mais seulement dans le régime classique. Pour atteindre le régime quantique, le dispositif a été refroidi dans un réfrigérateur à dilution dont la température est proche de 10 millikelvins. Son état de vibration a ensuite été sondé grâce à une méthode de thermométrie par comptage de photons dans les bandes latérales optomécaniques : deux faisceaux laser sont placés alternativement de part et d’autre de la résonance optique à une distance spectrale d’un quantum de vibration, permettant de mesurer les processus de création et d’annihilation de phonons. Lorsque le résonateur atteint son état fondamental, l’annihilation d’un phonon devient extrêmement improbable puisqu’il n’y a pratiquement plus de vibration à supprimer. La comparaison des taux d’occurrence de ces deux processus fournit alors une mesure directe de l’occupation quantique du mode mécanique. Les mesures révèlent une occupation moyenne de 0,66 +/- 0,2 phonons dans le résonateur, soit une probabilité d’environ 60% que le résonateur se trouve dans son état fondamental. Ce récent travail montre que le régime dans lequel il est possible de manipuler, compter, ajouter, soustraire, les vibrations quantiques de disques optomécaniques est désormais accessible.
Référence :
Optomechanical disk resonator in the quantum ground state of motion
A. Barbero, S. Pautrel, B. Evrard, J. Bon, R. Dezert, M. Morassi, A. Lemaître, A. Borne, and I. Favero
Phys. Rev. Lett. 137, 053601 (2026)
Contacts : Adrien Borne, Ivan Favero
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