Equipe Mesure et Bruits Fondamentaux

Axe principal: Nanophotonique et Information Quantique
Equipe Mesure et Bruits Fondamentaux
http://www.lkb.ens.fr/-Mesure-et-bruits-fondamentaux-
Laboratoire Kastler Brossel
Université P. et M. Curie, 4 place Jussieu, 75005 Paris
http://www.lkb.ens.fr
Contact C’nano de l’équipe
Heidmann Antoine
Responsable d’équipe :
Antoine Heidmann
[e-mail]
Membres permanents de l’équipe :
Pierre-François Cohadon
[email protected]u.fr
Tristan Briant
[email protected].fr
_________________________________________________________________________
• Activité scientifiques de l’équipe :
L’équipe Mesure et bruits fondamentaux s’intéresse au couplage optomécanique et aux
effets quantiques de la pression de radiation exercée par un faisceau lumineux sur un miroir
mobile. Le couplage optomécanique a des conséquences sur les propriétés quantiques du
rayonnement, comme par exemple la possibilité de comprimer le champ par des moyens
purement mécaniques, et aussi sur le miroir mobile, comme la possibilité de refroidir un objet
macroscopique jusqu'à atteindre son état quantique fondamental, ou encore sur les deux,
avec l’objectif d’intriquer un résonateur mécanique avec la lumière, ou deux résonateurs
entre eux grâce à la pression de radiation.
Les effets mécaniques de la pression de radiation exercée par un faisceau lumineux sur un
miroir permettent de modifier à la fois les propriétés de la lumière et les mouvements du
miroir. Nous utilisons ainsi des méthodes optiques pour contrôler et observer les
mouvements de micro-résonateurs mécaniques, en cherchant à tirer profit de la très grande
sensibilité des mesures optiques de déplacement. L'un des objectifs de ces recherches
consiste à atteindre le régime quantique fondamental d'un micro-résonateur mécanique, en
le refroidissant de manière active jusqu'à une température inférieure à 100 µK, et à observer
alors les infimes déplacements du résonateur correspondant à ses fluctuations quantiques.

La pression de radiation crée par ailleurs des corrélations quantiques entre les fluctuations
de la lumière et le mouvement du résonateur. Ces corrélations jouent un rôle important dans
les mesures optiques puisqu'elles induisent une limite quantique pour la sensibilité de la
mesure. Nous nous intéressons ainsi aux bruits et aux limites de sensibilité dans les
interféromètres gravitationnels, tels que l’interféromètre franco-italien Virgo ou les antennes
gravitationnelles de seconde génération, dont la sensibilité devrait être limitée par le bruit
quantique. Outre l’intérêt fondamental de comprendre comment les fluctuations quantiques
interviennent dans une mesure, ces effets de la pression de radiation ouvrent la voie à la
manipulation et au stockage de l'information avec des micro-systèmes mécaniques : le
couplage optomécanique est en effet capable de produire de l'intrication à l'échelle
macroscopique entre la lumière et un micro-résonateur.
• Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Amplification d'un signal par action en retour
Les techniques interférométriques développées pour mesurer de
très petits déplacements atteignent des sensibilités inégalées,
meilleures que l’attomètre, mais sont limitées a priori par la
Limite Quantique Standard (LQS), une conséquence de la
perturbation de l’objet mesuré par le faisceau laser de mesure
lui-même.
Notre équipe vient de faire la démonstration qu’on pouvait tirer
parti de cette action en retour du faisceau pour amplifier grâce à
la pression de radiation un signal semblable à celui d’une onde
gravitationnelle. Une telle technique, implémentée sur un
système limité par le bruit quantique, permettrait de battre la
LQS et est envisagée pour la prochaine génération de
détecteurs interférométriques d’ondes gravitationnelles.
Nouveaux dispositifs optomécaniques
Nous développons des nouveaux dispositifs optomécaniques
plus performants, en vue de la démonstration du régime
quantique du couplage optomécanique.
En collaboration avec l'Onera et le Laboratoire des Matériaux
Avancés, nous réalisons des micro-piliers vibrant en
compression, ce qui permet de déposer le miroir sur une partie
non déformée du résonateur. Le maintien du pilier en son
centre par une fine toile nous a permis d'atteindre un facteur de
qualité mécanique de 2x10
6
.
En collaboration avec le Laboratoire de Photonique et de
Nanostructures nous développons des membranes suspendues
à cristaux photoniques, susceptibles d'être utilisées comme
miroir dans une cavité optique grâce à l'optimisation de la
réflectivité de la membrane à incidence normale, et présentant
une très faible masse, de l'ordre de 100 pg.

• Programme de recherche :
L'utilisation du couplage optomécanique pour contrôler l'état d'un résonateur mécanique
connaît un grand essor, avec la perspective d'observer et de modifier l'état quantique d'un tel
résonateur. Nous cherchons à mettre à profit l'extrême sensibilité des méthodes de mesure
optique pour détecter les infimes fluctuations de position d'un micro-résonateur mécanique
dans son état quantique fondamental. Nous cherchons également à observer directement
les conséquences des fluctuations quantiques de la pression de radiation, et en particulier le
bruit et les limites quantiques dans les mesures interférométriques.
Pour atteindre ces objectifs, nous développons de nouveaux dispositifs optomécaniques et
des cavités optiques de grande finesse adaptées à la très petite taille de ces nouveaux
résonateurs. Pour atteindre le régime quantique dans lequel le résonateur est refroidi jusqu'à
une température très basse de l'ordre de 100 µK, nous combinons refroidissement passif
dans un cryostat à dilution He
3
/He
4
fonctionnant à 30 mK, et refroidissement par contrôle
actif comme le refroidissement laser induit par la pression de radiation dans une cavité
désaccordée.
• Références :
[1] “Radiation pressure cooling and instability of a micro-mirror in a detuned high-finesse
optical cavity”, O. Arcizet, P.-F. Cohadon, T. Briant, M. Pinard, A. Heidmann, Nature 444,
71 (2006)
[2] “Observation of back-action cancellation in interferometric and weak force
measurements”, T. Caniard, P. Verlot, T. Briant, P.-F. Cohadon, A. Heidmann, Phys.
Rev. Lett. 99, 110801 (2007)
[3] “Experimental optomechanics with silicon micromirrors”, O. Arcizet, C. Molinelli, T. Briant,
P.-F. Cohadon, A. Heidmann, J.-M. Mackowski, C. Michel, L. Pinard, O. Français, L.
Rousseau, New Journal of Physics 10, 125021 (2008)
[4] “Scheme to probe optomechanical correlations between two optical beams down to the
quantum level”, P. Verlot, A. Tavernarakis, T. Briant, P.-F. Cohadon, A. Heidmann, Phys.
Rev. Lett. 102, 103601 (2009)
[5] “Backaction amplification and quantum limits in optomechanical measurements”,
P. Verlot, A. Tavernarakis, T. Briant, P.-F. Cohadon, A. Heidmann, Phys. Rev. Lett. 104,
133602 (2010)