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Quantum Nano Optomechanics

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Mesurer la poussée de photons sur un nanofil

L'étude des interactions entre la lumière et la matière peut apporter des réponses à certaines des questions les plus fondamentales de la physique. Des expériences sans précédent, conduites à l'échelle quantique, ont mis en évidence de nouvelles formes de couplage qui devraient révolutionner ce domaine.

Technologies industrielles

L'optomécanique de cavité est un nouveau domaine passionnant qui s'intéresse aux interactions entre le rayonnement électromagnétique et des mouvements mécaniques à l'échelle microscopique ou nanoscopique. Les chercheurs utilisent ainsi des miroirs, des résonateurs mécaniques et la pression de radiation, pour manipuler des photons et conduire des expériences sur leur paillasse de laboratoire. La pression de radiation est la force exercée par la lumière (ou des photons) sur une unité de surface exposée au rayonnement. Les scientifiques du projet QNAO («Quantum nano optomechanics»), financé par l'UE, ont repoussé les limites de ce domaine. Ils ont démontré la possibilité de tester optiquement le déplacement nanométrique d'oscillateurs sous-longueur d'onde, avec une sensibilité approchant la limite quantique standard. Grâce à des nano-résonateurs de très faible masse, ils ont mesuré des forces à température normale et avec une sensibilité de 1x10^-18 N (1 attoNewton). L'action de retour quantique est l'analogie quantique de la 3ème loi de Newton, qui stipule que toute action s'accompagne d'une réaction égale en valeur absolue et opposée en direction. Les scientifiques ont ainsi observé l'action de retour optique exercée par le faisceau lumineux sur le nano-résonateur, montrant un couplage élevé entre les modes d'oscillation du résonateur. Dans d'autres expériences, l'équipe a étudié le phénomène inverse, réalisant le premier nano-système mixte spin-mécanique. Les chercheurs ont relié à un fil suspendu un unique qubit de type centre coloré NV (nitrogen-vacancy, un système modèle à base de diamant pour étudier les phénomènes associés au spin et l'électron). Le fil constitue le nano-résonateur. Avec ce système expérimental totalement nouveau, les scientifiques ont utilisé la spectroscopie de spin pour démontrer que le déplacement du nanofil résulte de l'état du spin. Ils se sont lancés dans une nouvelle ligne de recherche, où le spin automatiquement verrouillé sur le résonateur ouvre la voie à des protocoles de mesure encore plus sophistiqués, dans des systèmes mixtes. L'utilisation de l'optomécanique de cavité peut servir à tester des hypothèses fondamentales sur les interactions entre la lumière et la matière, par exemple des théories de la gravitation. Elle prépare aussi la voie vers de nombreuses utilisations comme des détecteurs ultra sensibles de force et d'accélération, des oscillateurs micro-ondes, le traitement optique du signal et la photonique sur silicium. Les expériences pionnières de QNAO ont apporté une contribution de valeur à un domaine important.

Mots‑clés

Photons, nanofil, quantum, couplage, optomécanique de cavité, pression de radiation, nano-résonateur, action de retour, intrication, qubit, spectroscopie de spin

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