Actuellement, les chercheurs maîtrisent l'état quantique de divers atomes, qu'ils soient naturels ou artificiels. Peut-on étendre ce contrôle à un objet beaucoup plus massif, comme un résonateur mécanique ? La génération d'états quantiques du mouvement dans un oscillateur « macroscopique » répondra à des questions fondamentales et ouvrira la voie à de nouvelles applications, en lien avec les technologies quantiques de l'information. Pour atteindre cet objectif ambitieux, il est tentant de coupler le résonateur mécanique à un système de type atomique.

En collaboration avec des collègues de l'Institut Néel (Grenoble) et du laboratoire Lumin (Orsay) l’équipe a conçu un dispositif basé sur un microfil vibrant en arséniure de gallium contenant une boîte quantique en arséniure d’indium. Une boîte quantique est une nanostructure semiconductrice qui se comporte comme un atome. Elle présente en effet des niveaux d’énergie discrets et des propriétés optiques remarquables à température cryogénique. De plus, l’énergie de bande interdite d’un matériau semiconducteur est très sensible à la déformation du réseau cristallin. Ce mécanisme très simple couple fortement la longueur d’onde d’émission de la boîte quantique au déplacement du microfil. Les premières études ont exploité le mode de vibration fondamental du microfil, qui résonne en dessous du mégahertz et se comporte comme un oscillateur classique. Pour atteindre le régime quantique, il est nécessaire d’augmenter considérablement la fréquence mécanique, afin de minimiser l’impact du bruit thermique. En outre, ceci permettra un contrôle et une détection tout-optique du mouvement mécanique.

L'équipe a mis au point un nouveau dispositif pour explorer les résonances mécaniques à haute fréquence du microfil (Fig. 1a). Un ensemble d’électrodes intégrées sur puce applique une force électrostatique oscillante sur le microfil. La détection du mouvement est assurée par quelques boîtes quantiques, dont on excite la luminescence grâce à un laser. Lorsque le fil vibre, la raie d’émission de chaque boîte quantique s’étale spectralement (Fig. 1b). Les expériences ont déjà révélé une résonance de flexion atteignant 190 MHz, soit mille fois plus que le mode fondamental. De plus, le couplage optomécanique à ce mode d’ordre supérieur atteint une valeur record.

Ces résultats ouvrent la voie à la génération optique d'états quantiques de mouvement et à la réalisation d'interfaces optomécaniques cohérentes. Ce sont les objectifs du projet ANR « AQOUSTIQS » qui implique les mêmes partenaires et sera lancé en 2025.

 
Figure 1 : (A) schéma du dispositif.
(B) Détection de la résonance de flexion F7. Lorsque le fil est immobile, chaque boîte quantique présente une raie d'émission très fine (la couleur indique l'intensité lumineuse). L’excitation d’une résonance mécanique (ici vers 189.5 MHz) conduit à un élargissement spectral. En raison de l'inhomogénéité de la déformation dans la section des boîtes quantiques, cet élargissement spectral varie d'un émetteur à l’autre.
(C)  : Profil du mode de flexion F7. La couleur représente la déformation locale (rouge : extension, bleu : compression)