Cartographier mécaniquement le champ lumineux de photons confinés

Publié par Redbran le 11/05/2021 à 13:00
Source: CNRS INP
En cartographiant avec une sonde de force nano-mécanique le champ lumineux dans une cavité optique, des chercheurs ont pu étudier l'action de la lumière sur des nano-fils de 100 nm de diamètre.

L'optomécanique en cavité permet ainsi de mesurer de très petites déformations et de tester les limites ultimes de sensibilité de la mesure, lorsqu'elle se heurte à la nature quantique de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...). Jusqu'à présent, la faiblesse de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) nécessitait de travailler avec un très grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de photons dans la cavité, masquant ainsi une partie des effets fondamentaux qui peuvent apparaître avec un seul photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...). Une nouvelle approche développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) à l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel (NEEL, CNRS/Univ. Grenoble Alpes/Grenoble INP) en collaboration avec le Laboratoire Kastler Brossel (LKB, CNRS/Sorbonne Univ./ENS Paris/Collège de France), a permis d'approcher le régime de l'optomécanique au photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...) unique, avec un oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou...) sensible à la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) exercée par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) intracavité peuplé par un seul photon confiné.


Figure: Le champ lumineux associé à un seul photon peuplant le mode optique confiné entre les miroirs d'une microcavité optique est cartographié grâce à la force qu'il exerce sur une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) nano-mécanique ultrasensible, des nanofils de carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une...) de diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre...) inférieur à la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...). Cette carte représente l'intensité lumineuse diffusée hors de la cavité en fonction de la position du nanofil et permet d'identifier les endroits dans la cavité où l'action de la lumière sur le nanofil sera maximale.
© O. Arcizet, NEEL.

Pour cela, les chercheurs ont cherché à augmenter le champ électrique (En physique, on désigne par champ électrique un champ créé par des particules...), et donc la force produite par un seul photon peuplant le mode de cavité, en travaillant avec des cavités de grande réflectivité et de très petites dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...), produites au Laboratoire Kastler Brossel. Ils ont fabriqué et employé des sondes de force ultrasensibles - des nanofils suspendus en carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique...) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si...) d'une centaine de micromètres de long et de 100 nm de diamètre (donc bien inférieur à la longueur optique employée de 800 nm) pouvant détecter des forces de l'ordre de l'attonewton (10-18 N). Ces nanofils sont alors introduits dans la cavité où ils interagissent avec le champ lumineux confiné. Ils permettent de sonder la structure spatiale de ce champ, autrement dit l'onde lumineuse stationnaire, en repérant ses minimas et maximas grâce à la mesure des forces optiques produites sur les nanofils (cf. illustration).

C'est ainsi que les chercheurs ont pu imager et cartographier pour la première fois la force exercée par le champ intracavité et identifier les zones dans lesquelles le couplage lumière-nanofil est maximal. La très grande sensibilité des nanofils suspendus a permis de mesurer les forces dans ces zones jusqu'à des niveaux de lumière très faibles correspondant à moins d'un photon dans la cavité.

Atteindre un tel régime ouvre plusieurs perspectives, en particulier dans le domaine de l'optique quantique car le système fournit une nouvelle ressource non linéaire (si on double le champ électrique la force est quadruplée) fonctionnant à très faible nombre de photons, permettant par exemple de mesurer sans les détruire les fluctuations d'intensité de faisceau lumineux extrêmement faibles. De plus, dans un tel régime, les fluctuations quantiques du champ intracavité deviennent comparables à leur valeur moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de...), ce qui ouvre la voie à l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) des forces produites par les fluctuations quantiques d'un tel champ.

Référence:
Mapping the Cavity Optomechanical Interaction with Subwavelength-Sized Ultrasensitive Nanomechanical Force Sensors.
F. Fogliano, B. Besga, A. Reigue, P. Heringlake, L. Mercier de Lépinay, C. Vaneph, J. Reichel, B. Pigeau, et O. Arcizet,Physical Review X, American Physical Society 11 (2), pp.021009, Publié le 8 avril 2021.
DOI: 10.1103/physrevx.11.021009
Article disponible sur la base d'archives ouvertes hal

Contacts:
- Olivier Arcizet - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut Néel - olivier.arcizet at neel.cnrs.fr
- Jakob Reichel - Professeur des universités à Sorbonne (La Sorbonne est un complexe monumental du Quartier latin de Paris. Elle tire son nom du...) Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...), Laboratoire Kastler Brossel - reichel at lkb.ens.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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