Une nanoparticule piégée entre des miroirs fonctionne comme un capteur quantique

Les progrès de la physique quantique offrent de nouvelles opportunités pour améliorer considérablement la précision des capteurs et ainsi permettre de nouvelles technologies. Une équipe dirigée par Oriol Romero-Isart de l’Institut d’optique quantique et d’information quantique de l’Académie autrichienne des sciences et du Département de physique théorique de l’Université d’Innsbruck et une équipe dirigée par Romain Quidant de l’ETH Zurich proposent maintenant un nouveau concept pour un capteur quantique de haute précision. Les chercheurs suggèrent que les fluctuations de mouvement d’une nanoparticule piégée dans un résonateur optique microscopique pourraient être réduites de manière significative en dessous du mouvement du point zéro, en exploitant la dynamique rapide et instable du système.

Particule coincée entre les miroirs

La compression quantique mécanique réduit l’incertitude des fluctuations de mouvement en dessous du mouvement du point zéro, et cela a été démontré expérimentalement dans le passé avec des résonateurs micromécaniques dans le régime quantique. Les chercheurs proposent maintenant une nouvelle approche, spécialement adaptée aux systèmes mécaniques en lévitation. “Nous démontrons qu’une cavité optique correctement conçue peut être utilisée pour comprimer rapidement et fortement le mouvement d’une nanoparticule en lévitation”, explique Katja Kustura de l’équipe d’Oriol Romero-Isart à Innsbruck. Dans un résonateur optique, la lumière est réfléchie entre des miroirs et interagit avec la nanoparticule en lévitation. Une telle interaction peut donner lieu à des instabilités dynamiques, qui sont souvent considérées comme indésirables.

Les chercheurs montrent maintenant comment ils peuvent plutôt être utilisés comme ressource. “Dans le présent travail, nous montrons comment, en contrôlant correctement ces instabilités, la dynamique instable résultante d’un oscillateur mécanique à l’intérieur d’une cavité optique conduit à une compression mécanique”, explique Kustura. Le nouveau protocole est robuste en présence de dissipation, ce qui le rend particulièrement faisable en optomécanique en lévitation. Dans l’article publié dans la revue Physical Review Letters, les chercheurs appliquent cette approche à une nanoparticule de silice couplée à une microcavité par diffusion cohérente. “Cet exemple montre que nous pouvons comprimer la particule par des ordres de grandeur en dessous du mouvement du point zéro, même si nous partons d’un état thermique initial”, se réjouit Oriol Romero-Isart.

Le travail fournit une nouvelle utilisation des cavités optiques en tant que presses quantiques mécaniques et suggère une nouvelle voie viable dans l’optomécanique en lévitation au-delà du refroidissement quantique à l’état fondamental. Les micro-résonateurs offrent ainsi une nouvelle plateforme intéressante pour la conception de capteurs quantiques, qui pourraient être utilisés, par exemple, dans des missions satellites, des voitures autonomes et en sismologie. La recherche à Innsbruck et à Zurich a été soutenue financièrement par l’Union européenne.

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Matériaux fourni par Université d’Innsbruck. Remarque : Le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.