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Refroidissement optique d’un micro-résonateur mécanique

par Paul INDELICATO - 15 septembre 2007

Détecter les fluctuations quantiques d’un résonateur mécanique est un formidable challenge expérimental pour les physiciens, qui requiert une fréquence de résonance très élevée et une très basse température de fonctionnement (typiquement 30 mK pour un résonateur oscillant à 1 GHz) pour placer le résonateur dans son état quantique fondamental. Une fois ce régime atteint, encore faut-il disposer d’un système capable de détecter les infimes déplacements du résonateur correspondant à ses fluctuations quantiques. De nombreuses équipes poursuivent cet objectif, généralement en profitant des progrès remarquables de la micro- et maintenant de la nano-fabrication pour augmenter la fréquence de résonance et diminuer la masse de l’oscillateur. Mais aucune n’a encore atteint une sensibilité suffisante pour détecter les fluctuations quantiques de l’oscillateur. Une équipe du Laboratoire Kastler Brossel propose une nouvelle voie, qui s’appuie sur l’extraordinaire sensibilité de l’interférométrie optique pour mesurer de petits déplacements. La lecture optique limite par contre la miniaturisation du résonateur, si bien que la condition à atteindre sur la température est encore plus draconienne : il faut utiliser des méthodes de refroidissement actif pour espérer atteindre le régime quantique de l’oscillateur, en-dessous de 100 μK. L’équipe a ainsi démontré qu’il est possible de refroidir très efficacement un micro-résonateur en utilisant les effets de la pression de radiation dans une cavité optique de grande finesse. Dans une cavité légèrement hors de résonance, l’intensité dans la cavité dépend sensiblement de sa longueur : ainsi, même une variation infime de celle-ci comme celle que peut causer le mouvement d’agitation thermique du résonateur peut faire varier sensiblement la force de pression de radiation. Sous certaines conditions, cette force modifie la dynamique du résonateur et réduit sa température effective.L’image ci-contre présente le principe de l’expérience dont les résultats ont été publiés dans le numéro du 2 novembre de Nature. On y voit quatre micro-résonateurs gravés à la surface d’une plaque de silicium. Le résonateur inséré dans une cavité optique est refroidi (jusqu’à 10 K, couleur bleue) par la pression de radiation du faisceau utilisé pour la mesure de ses déplacements, alors que les trois autres restent à la température ambiante (300 K, couleur rouge).

MEMS

Références : Radiation-pressure cooling and optimechanical instability of a micro-mirror O. Arcizet, P.-F. Cohadon, T. Briant, M. Pinard et A. Heidmann, Nature 444, 71 (2006) Lien :l

Contact Pierre-François Cohadon, cohadon@spectro.jussieu.fr

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