Mesure et contrôle des mouvements d'un micro-miroir. miroir au niveau quantique

Transcription

1 Laboratoire Kastler Brossel Mesure et contrôle des mouvements d'un micro-miroir miroir au niveau quantique A. Heidmann P.-F. Cohadon T. Briant O. Arcizet T. Caniard C. Molinelli P. Verlot

2 Mesure optique et micro-résonateurs 1 Micro-résonateurs mécaniques 2 Mesures optiques 3 Optique quantique et pression de radiation 4 Atteindre le régime quantique d'un micro-miroir?

3 Mesure optique de distance Télémétrie laser : mesure du temps de propagation sur une cible Applications : Mesures dans le bâtiment Radar laser Laser terre lune Précision de l'ordre du millimètre

4 Mesure interférométrique Mesure interférométrique des déplacements d'un miroir Variation d'intensité : Sensibilité meilleure que l'angstrom sur le déplacement

5 Exemple : détection des ondes gravitationnelles Prédites en 1917 par Einstein Effet sur terre : Bras kilométriques (3 km pour Virgo) Puissances lumineuses > 10 kw

6 Mesure au-delà de l'attomètre Utiliser une cavité optique pour profiter des résonances Une variation de longueur change le désaccord de la cavité Largeur de la résonance : où est la finesse de la cavité L'effet est amplifié par la finesse de la cavité :

7 Mesure de très petits déplacements de miroirs Mesure des déplacements d un miroir avec une cavité de grande finesse (> ) Sensibilité! Caractérisation des bruits d'un miroir (bruit thermique, ) Conséquences dans les mesures de position Limites quantiques liées à la pression de radiation P.-F. Cohadon et al., Phys. Rev. Lett. 83, 3174 (1999) T. Caniard et al., Phys. Rev. Lett. 99, (2007)

8 Choix du miroir mobile Eliminer les bruits techniques : Augmenter les effets de pression de radiation : Minimiser le bruit thermique : Les micro-résonateurs sont de bons candidats!

9 Miroir versus micro-miroir Miroir en silice : Micro-résonateur en silicium :

10 Réalisation des micro-miroirs Micro-fabrication à l ESIEE Dépôt optique réalisé au LMA Métrologie optique à l'espci

11 Montage expérimental Source laser ultra-stable (asservissement en fréquence, en intensité, et filtrage spatial) Cavité sous vide et asservie en température Finesse Détection Pound-Drever-Hall (asservissement et mesure)

12 Observation des mouvements du micro-miroir Observation du bruit thermique associé aux résonances mécaniques du micro-miroir Sensibilité : O. Arcizet et al., Phys. Rev. Lett. 97, (2006)

13 Contrôler les oscillations du miroir Bruit thermique d'un mode de vibration du micro-miroir Nombre de phonons thermiques :

14 Vers le régime quantique du micro-miroir Etat quantique fondamental d'un oscillateur harmonique macroscopique Condition sur la température : Observation directe de l'extension spatiale de la fonction d onde :

15 Exemples d'observation du régime quantique Quantification du champ dans une cavité micro-onde (50 GHz, < 1 K) Cavité vide 1 photon Cavité vide Atomes de Césium dans un micro-piège dipolaire (80 khz, 4 µk) Haroche et al., 2007 Salomon et al., 1998

16 Systèmes mécaniques nanométriques Fréquence de résonance élevée jusqu à 1 GHz Fonctionnement cryogénique Température atteinte ~ 50 mk Détection capacitive K.C. Schwab, U. Maryland, 2004 A.N. Cleland, UCSB, 2003

17 Effets dynamiques de la pression de radiation Dans une cavité désaccordée, la pression de radiation devient sensible aux déplacements Force de rappel (ou répulsive) selon le signe du désaccord : Modification de la raideur (ressort optique) Dynamique de la cavité due au temps de stockage : Force visqueuse : Refroidissement (friction froide optique)

18 Observation de la friction froide optique Spectres de bruit thermique Désaccord négatif Désaccord positif Refroidissement jusqu à 10 K, chauffage jusqu à 2000 K O. Arcizet et al., Nature (2006)

19 Expériences dans le monde LKB Vienne MIT UCSB Yale Garching / Caltech

20 Conclusion ce qu il reste à faire... Ce que nous avons fait : Mesure optique à des vibrations d'un micro-miroir Effets dynamiques de la pression de radiation : refroidissement par friction optique Ce qu il reste à faire : Passage à basse température dans un cryostat Réalisation de micro-miroirs plus petits et de meilleure qualité Objectifs : Effets quantiques de la pression de radiation Régime quantique du micro-résonateur