DOSSIER
OPTOMéCANIQUE
avec un bruit diminué de 3 dB . Cette technique est utilisée depuis 2018 sur tous les interféromètres gravitationnels ( Advanced Virgo , Advanced LIGO et GEO600 ) lors de leurs prises de données scientifiques [ 2 ]. Ces travaux se poursuivent aujourd ’ hui pour améliorer continuellement la sensibilité des interféromètres au gré de leurs campagnes d ’ améliorations successives , qui permettent de réduire encore les bruits classiques , et entraînent des exigences toujours plus fortes sur le squeezing .
L ’ OPTOMECANIQUE : REFROIDIR UN MIROIR AVEC LA PRESSION DE RADIATION … En mettant en évidence la LQS , Caves a accordé un nouveau statut aux miroirs de l ’ interféromètre : de simples dispositifs pour réfléchir la lumière , ceux-ci deviennent de vrais objets physiques , qui réagissent aux fluctuations de la pression de radiation du faisceau laser de mesure . Personne ne le sait et personne ne l ’ appelle encore ainsi , mais l ’ optomécanique est née [ 3 ]. Si ces effets sont encore loin de toute démonstration expérimentale , l ’ idée fait son chemin qu ’ on pourrait réaliser des expériences similaires avec des miroirs mobiles de plus faible masse , répondant mieux à la pression de radiation . De telles expériences table-top se montent , notamment au Laboratoire Kastler Brossel , avec comme premier objectif de mettre en évidence les limites quantiques dans les mesures de position ou de générer de la lumière comprimée avec la non-linéarité optique liée à la pression de radiation . Mais ces objectifs apparaissent rapidement difficiles à atteindre : le bruit de pression de radiation ne sera finalement mis en évidence qu ’ en 2013 [ 4 ].
Néanmoins , le bruit thermique des résonateurs mécaniques , initialement perçu comme un bruit , particulièrement gênant dans ces expériences généralement réalisées à température ambiante , est bientôt plutôt vu comme un sujet d ’ étude en soi . La pression de radiation , permet
Figure 2 . La réduction du bruit quantique à l ’ œuvre dans les interféromètres gravitationnels . Courbes de sensibilité d ’ Advanced Virgo dans sa configuration standard ( courbe noire ) et avec injection de vide comprimé sur la quadrature de phase ( courbe rouge ). Le gain est d ’ environ 3 dB à haute fréquence . La courbe bleue représente l ’ effet d ’ une compression sur la quadrature d ’ amplitude , qui augmente le bruit de phase et dégrade ainsi la sensibilité . Celleci est inchangée à basse fréquence , où des bruits classiques sont prédominants . Figure tirée de [ 2 ]. Crédit : Collaboration Virgo .
en effet d ’ agir sur le résonateur pour le refroidir , de façon analogue à ce qui était déjà utilisé avec des ions piégés . Une première expérience de refroidissement est réalisée au LKB en 1999 avec le mode de vibration fondamental d ’ un miroir plan-convexe en silice fondue : le signal sur le déplacement est alors utilisé pour appliquer en temps réel une force de frottement supplémentaire . Cette force de friction froide n ’ injectant pas de fluctuations dans le système , on peut montrer que la température est réduite par un facteur 1 + Γ rad / Γ , ou Γ rad est l ’ amortissement induit par la pression de radiation et Γ celui intrinsèque du résonateur mécanique . Le résultat sur la température est encore modeste : le miroir initialement à température ambiante ne voit sa température abaissée qu ’ à 10 K [ 5 ]. L ’ année 2006 voit l ’ introduction d ’ une nouvelle technique qui tire parti du couplage entre phase et intensité dans une cavité optique désaccordée : le miroir est alors refroidi par la seule pression de radiation du faisceau qui est utilisé pour mesurer son déplacement . Les premières expériences , réalisées simultanément au LKB et à Vienne , se limitent encore
à des démonstrations de principe , de la température ambiante à une température finale de quelques K [ 6 ], mais les expériences se multiplient très vite : à température cryogénique , dans le domaine optique puis micro-ondes , avec toutes sortes de géométries de résonateurs ... Le graal est atteint en 2011 : pour la première fois , un résonateur mécanique est refroidi au voisinage de son état quantique fondamental [ 7 ] : les résonateurs mécaniques sont désormais des oscillateurs harmoniques quantiques ( presque ) comme les autres .
… MAIS PAS SEULEMENT Le domaine continue de s ’ étendre pendant la décennie qui suit . À côté des systèmes déjà très répandus en métrologie et en optique ou information quantiques ( atomes , ions , centres NV , cavités optiques ou micro-ondes , qubits supraconducteurs …), les résonateurs mécaniques apparaissent comme un élément supplémentaire de la boîte à outils expérimentale , avec comme point fort leurs très longs temps de cohérence ( avec par exemple des facteurs de qualité mécaniques de plusieurs centaines de
Figure 3 . Refroidissement d ’ un résonateur mécanique ( micropilier en quartz , 2021 ) par la pression de radiation . Sous l ’ effet de la force de friction froide , les spectres de bruit de position s ’ élargissent ( largeur totale ) et sont réduits ( diminution de la température ), de la température de base du cryostat ( courbe rouge , 1 K ) à la température minimale atteinte ( courbe bleue , température de 1 mK , correspondant à 7 phonons thermiques à la fréquence de 3,6 MHz ).
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