DOSSIER
OPTOMéCANIQUE
Figure 2 . Principe des expériences de nano-optomécanique en cavité . L ’ extrémité vibrante des nanofils est insérée dans le champ intracavité d ’ une microcavité fibrée ( a , b ) et d ’ un cristal photonique ( c , d ). Le mode de cavité est perturbé par le nanofil , et en retour le nanofil subit la force optomécanique induite par le mode de cavité . Sa très grande sensibilité en force permet de détecter et de cartographier l ’ action optomécanique d ’ une population moyenne proche d ’ un seul photon .
mécaniques du nanofil . Cette approche représente une transposition à deux dimensions du principe de mesure des microscopes à force atomique en mode non-contact : la mesure des variations de fréquence d ’ un cantilever oscillant à la surface d ’ un échantillon , induites par les gradients verticaux de la force normale , permet de déterminer sa topographie . Le nanofil vibrant latéralement , il évolue quant à lui dans un champ de force bidimensionnel ( F x , F z dans la base ( x , z ) transverse ), et va être potentiellement sensible aux 4 composantes des gradients de force ( ∂ x F x , ∂ z F x , ∂ x F z , ∂ z F z ,), qui vont modifier à la fois les fréquences mais aussi les directions des deux modes propres . On peut montrer que la mesure de ces perturbations mécaniques permet de remonter de façon univoque aux gradients de force locaux générant ces perturbations .
Nous avons validé ce principe de mesure d ’ abord dans le cas d ’ une force électrostatique produite par une nano-pointe métallique approchée au voisinage du nanofil . D ’ abord en analysant la structure spectro-angulaire de son bruit thermique [ 1 ], puis en développant des protocoles de mesure plus évolués , permettant d ’ atteindre un rythme de mesure en quasi temps réel . Cela nous a permis de nous approcher plus finement de nanostructures métalliques et d ’ étudier en particulier les forces électrostatiques et de proximité à leur surface .
NANO-OPTOMÉCANIQUE DANS UN FAISCEAU FOCALISÉ Étant extrêmement sensible , la dynamique du nanofil peut également être impactée par le faisceau laser qui sert à mesurer ses vibrations . Il est donc nécessaire de caractériser en détail cette interaction pour pouvoir la dissocier des forces que l ' on cherche à mesurer . Nous avons d ’ abord cartographié le champ de force produit par un faisceau laser focalisé , grâce à la mise en œuvre de techniques de mesure pompe-sonde [ 2 ]. Il est reproduit sur la figure 1 , où l ’ on reconnait une structure de type pression de radiation avec un champ de force convergent puis divergent en amont et en aval du waist , et une force maximale de quelques 100 fN pour 100 µ W de puissance . Cette structure révèle également la nature non-conservative du champ de force , avec des zones à rotationnel non nul de chaque côté du waist optique . Un tel champ de force , qui ne dérive pas d ’ une énergie potentielle
comme on s ’ y attend pour les forces de pression de radiation , perturbe fortement la dynamique du nanofil : lorsqu ’ on le positionne sur le bord du waist , on observe une brisure de l ’ orthogonalité des modes propres et une convergence progressive des modes , dont les fréquences et les directions de vibrations convergent vers une valeur commune , conduisant à plus forte puissance à une instabilité dynamique : le nanofil se mettant alors à « tourner » dans le sens du rotationnel du champ de force [ 2 ].
NANO-OPTOMÉCANIQUE EN CAVITÉ À FAIBLE NOMBRE DE PHOTON Les nanofils permettent donc d ’ obtenir des informations assez fines sur la structure des champs lumineux . Il était donc assez naturel de chercher à travailler avec des modes optiques stationnaires , confinés dans des microcavités de grande finesse et à petit volume de mode , afin d ’ exacerber le champ électromagnétique par photon intracavité et donc l ’ intensité du couplage . On a ainsi exploré le couplage optomécanique entre les vibrations des nanofils et le champ lumineux de microcavités fibrées produites au Laboratoire Kastler Brossel [ 3 ], et de cavités à cristaux photoniques produites au Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies , dans les groupes de Jakob Reichel et Rémy Braive , voir la figure 2 .
Lorsque l ’ extrémité vibrante du nanofil est positionnée à un ventre
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