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 [email protected] Membres permanents de l’équipe : Pierre-François Cohadon [email protected] Tristan Briant [email protected] _________________________________________________________________________ • 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 He3/He4 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)