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Nano-Optomécanique

publié le , mis à jour le

Optomécanique des nano-disques en Arséniure de Gallium

L’optomécanique, qui étudie le couplage entre la lumière et le mouvement mécanique, est un domaine en plein essor à l’interface de l’optique, de la physique de la matière condensée et de la physique quantique [a,b]. A partir de début des années 2000, il a été montré qu’il est possible d’utiliser de la lumière laser pour refroidir le mouvement d’un oscillateur mécanique placé en cavité optique, une technique qui est en partie analogue au refroidissement laser d’atomes ou d’ions [c,d]. Le refroidissement laser d’un oscillateur mécanique jusqu’à de très basses températures le plongerait dans un régime quantique de vibration, une manifestation originale de la physique quantique à l’échelle macroscopique. Ce régime quantique requiert des températures hors d’atteinte par cryogénie conventionnelle (sous le milliKelvin), mais que l’on peut en principe atteindre par refroidissement optique. L’obtention d’un tel régime ouvre un nouveau champ d’étude : comment un oscillateur mécanique macroscopique perd-t-il sa cohérence quantique et transite vers un comportement classique ? Peut-on générer des états non-classiques de mouvement pour un oscillateur mécanique ? Quelles seraient les limites de performance d’un capteur micromécanique quantique ?

Nos recherches en optomécanique se focalisent sur des résonateurs en forme de disques miniatures réalisés en arséniure de gallium GaAs (voir image, diamètre quelques microns, épaisseur typique 200 nanomètres). Ces disques sont à la fois des résonateurs mécaniques haute fréquence (GHz) et des cavités optiques de haute qualité. Au sein d’un disque, les photons sont piégés à la périphérie par réflexion totale interne et circulent dans un mode de galerie [c], tel le son parcourant une galerie acoustique circulaire. Dans cette cavité confinant la lumière sur un volume sub-micronique, l’interaction lumière-matière est intensifiée et donne naissance à un couplage extrême entre optique et mécanique : la lumière circulant dans la galerie agit mécaniquement sur les vibrations de respiration du disque (via une force de radiation), et inversement les vibrations du disque affectent l’état des photons dans la cavité. Le couplage optomécanique géant dans un disque GaAs et en fait un excellent système pour étudier les phénomènes optomécaniques : refroidissement optique vers le régime quantique, régimes optomécaniques non-linéaires, applications de capteurs mécaniques à lecture optique...


[a] I. Favero, and K. Karrai. "Optomechanics of deformable optical cavities". Nature Photonics 3, 201 (2009).

[b] M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg, and F. Marquardt. "Cavity optomechanics". Rev. Mod. Phys. 86, 1391 (2014).

[c] P. F. Cohadon, A. Heidmann, and M. Pinard, “Cooling of a mirror by radiation pressure,” Physical Review Letters 83, 16, 3174 (1999).

[d] C. H. Metzger and K. Karrai, “Cavity cooling of a microlever”, Nature 432,1002 (2004).


PhD and Post-Doc positions opening :

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Résonateur optomécanique à disque GaAs, image au microscope électronique.


Pour plus de détails, voir les liens suivants :

High frequency GaAs whispering gallery resonators for quantum optomechanics

On-chip GaAs disk resonators for optomechanics

Optical fiber taper coupling to a GaAs disk

Quantum limits of cooling based on un-conventional optomechanical forces



Collaborations :

MPQ, Paris : Equipe Théorie, Cristiano Ciuti

LPN, Marcoussis : Aristide Lemaitre, Daniel Lanzillotti-Kimura, Pascale Senellart.

LAAS, Toulouse : Bernard Legrand

CEA-LETI, Grenoble : Guillaume Jourdan, Sébastien Hentz

IEMN, Lille : Marc Faucher

Campinas University, Brésil : Débora Princepe, Newton Frateschi


Contrats :

Naomi, projet C-Nano Ile de France (2008-2012).

Programme Hubert Curien avec l’Université de Munich (LMU). "Cavity optomechanics at the sub-wavelength scale" (2009-2011).

ANR Jeune Chercheur NOMADE (2010-2014).

ANR blanche QDOM (2012-2017), en collaboration avec le LPN et l’équipe Théorie de MPQ.

ERC Starting GANOMS (2013-2018), sur les systèmes nano-optomécaniques GaAs.

ANR Blanche Olympia (2014-2019), sur l’AFM optomécanique.

FET-proactive VIRUSCAN (2016-2021), sur la détection optomécanique biomédicale.