Heidmann

Laboratoire Kastler Brossel
Mesure
Mesure et
et contrôle
contrôle des
des
mouvements
-miroir
mouvements d'un
d'un micro
micro-miroir
au
au niveau
niveau quantique
quantique
A. Heidmann
P.-F. Cohadon
O. Arcizet
C. Molinelli
T. Caniard
P. Verlot
T. Briant
Mesure optique et micro-résonateurs…
1 – Micro-résonateurs mécaniques
2 – Mesures optiques
3 – Optique quantique et
pression de radiation
4 – Atteindre le régime quantique
d'un micro-miroir ?
Mesure optique de distance
Télémétrie laser : mesure du temps de propagation sur une cible
Applications :
ƒ Mesures
dans le bâtiment
ƒ Radar laser
ƒ Laser terre – lune
¬ Précision de l'ordre du millimètre
Mesure interférométrique
Mesure interférométrique des déplacements d'un miroir
Variation d'intensité :
Sensibilité meilleure que l'Angstrom sur le déplacement
Exemple : détection des ondes gravitationnelles
Prédites en 1917 par Einstein
Effet sur terre :
Bras kilométriques (3 km pour Virgo)
Puissances lumineuses > 10 kW
Mesure au-delà de l'attomètre
Utiliser une cavité optique pour profiter des résonances
Une variation de longueur change
le désaccord de la cavité
Largeur de la résonance :
où est la finesse de la cavité
L'effet est amplifié
par la finesse de la cavité :
Mesure de très petits déplacements de miroirs
Mesure des déplacements d’un miroir avec une
cavité de grande finesse (> 200 000)
Sensibilité
!
ƒ Caractérisation des
bruits d'un miroir
(bruit thermique,…)
ƒ Conséquences dans
les mesures de position
ƒ Limites quantiques liées à la
pression de radiation
P.-F. Cohadon et al., Phys. Rev. Lett. 83, 3174 (1999)
T. Caniard et al., Phys. Rev. Lett. 99, 110801 (2007)
Choix du miroir mobile
Eliminer les bruits techniques :
Augmenter les effets de pression de radiation :
Minimiser le bruit thermique :
→ Les micro-résonateurs sont de bons candidats !
Miroir versus micro-miroir
Miroir en silice :
Micro-résonateur en silicium :
Réalisation des micro-miroirs
Micro-fabrication à l’ESIEE
Dépôt optique réalisé au LMA
Métrologie optique à l'ESPCI
Montage expérimental
ƒ Source laser ultra-stable
(asservissement en
fréquence, en intensité,
et filtrage spatial)
ƒ Cavité sous vide et
asservie en température
→ Finesse
ƒ Détection Pound-Drever-Hall
(asservissement et mesure)
Observation des mouvements du micro-miroir
Observation du bruit thermique associé
aux résonances mécaniques du micro-miroir
Sensibilité :
O. Arcizet et al., Phys. Rev. Lett. 97, 133601 (2006)
Contrôler les oscillations du miroir
Bruit thermique d'un mode
de vibration du micro-miroir
Nombre de phonons thermiques :
Vers le régime quantique du micro-miroir
Etat quantique fondamental d'un oscillateur harmonique macroscopique
ƒ Condition sur la température :
ƒ Observation directe de l'extension spatiale
de la fonction d’onde :
Exemples d'observation du régime quantique
Quantification du champ dans une cavité micro-onde (50 GHz, < 1 K)
Cavité vide
1 photon
Cavité vide
Haroche et al., 2007
Atomes de Césium dans un micro-piège dipolaire (80 kHz, 4 µK)
Salomon et al., 1998
Systèmes mécaniques nanométriques
Fréquence de résonance élevée
jusqu’à 1 GHz
Fonctionnement cryogénique
Température atteinte ~ 50 mK
Détection capacitive
K.C. Schwab, U. Maryland, 2004
A.N. Cleland, UCSB, 2003
Effets dynamiques de la pression de radiation
Dans une cavité désaccordée, la pression de radiation
devient sensible aux déplacements
Force de rappel (ou répulsive)
selon le signe du désaccord :
Modification de la raideur (ressort optique)
Dynamique de la cavité due au
temps de stockage :
→ Force visqueuse :
→ Refroidissement
(friction froide optique)
Observation de la friction froide optique
Spectres de bruit thermique
Désaccord négatif
Désaccord positif
Refroidissement jusqu’à 10 K, chauffage jusqu’à 2000 K
O. Arcizet et al., Nature 444 71 (2006)
Expériences dans le monde
LKB
MIT
Vienne
UCSB
Yale
Garching / Caltech
Conclusion – ce qu’il reste à faire...
Ce que nous avons fait :
ƒ Mesure optique à
des vibrations d'un micro-miroir
ƒ Effets dynamiques de la
pression de radiation :
refroidissement par friction optique
Ce qu’il reste à faire :
ƒ Passage à basse température dans un cryostat
ƒ Réalisation de micro-miroirs plus petits et de meilleure qualité
Objectifs :
ƒ Effets quantiques de la pression de radiation
ƒ Régime quantique du micro-résonateur