Un disque optomécanique dans son état fondamental de vibration

À température ambiante, les atomes qui constituent un objet oscillent en permanence et de façon désordonnée sous l'effet de l'agitation thermique. Pour révéler les propriétés quantiques d'un dispositif mécanique, cette agitation doit être quasiment supprimée, ce qui s’obtient en refroidissant le plus possible le dispositif. Une façon d’accéder alors à la mesure de la température résiduelle du système est de coupler son mouvement à de la lumière et de mesurer cette dernière.

Ces recherches ont été menées dans les laboratoires CNRS suivants :

• Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ, CNRS / Université Paris Cité)
• Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N, CNRS / Université Paris-Saclay)

Dans un travail récent, des chercheurs et chercheuses ont ainsi pour observer et quantifier le refroidissement d’un disque optomécanique, à un stade ultime où ce dernier se trouve majoritairement dans son état quantique fondamental de vibration, le « vide de phonon ».  Les disques utilisés sont des objets de taille micrométrique en matériau semiconducteur (arséniure de gallium), dont la fréquence naturelle de vibration se situe dans le domaine du gigahertz.  Au fil des années, ils ont été à la base 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, où tout effet quantique est complètement négligeable.

Pour atteindre le régime quantique, les scientifiques ont tout d’abord refroidi le dispositif dans un réfrigérateur à dilution dont la température est proche de 10 millikelvins. Ils ont ensuite sondé son état de vibration en utilisant alternativement deux lasers : l’un dont la fréquence est légèrement inférieure à la fréquence de résonance optique du disque et l’autre légèrement supérieure, le décalage spectral correspondant à la fréquence de vibration du disque. Ceci permet alors de quantifier les processus de création et d’annihilation de phonons, les excitations élémentaires de vibration du système. 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 ont révélé 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. Par ce résultat, les chercheurs et chercheuses ont ainsi montré que le régime de très basse température, dans lequel il est possible de manipuler, compter, ajouter, soustraire, les vibrations quantiques de disques optomécaniques, est désormais accessible. Ces travaux sont publiés dans les Physical Review Letters.