Quantum and dynamical effects using a gram-scale mechanical resonator in a high-finesse optical cavity

• Auteur / Autrice : Alexandros Tavernarakis
• Direction : Antoine Heidmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique quantique
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Paris 6

Mots clés

Mots clés contrôlés

Résonateurs lasers

Optique quantique

Ondes gravitationnelles

Résumé

L’optomécanique en cavité, l’ étude de l’interaction entre le mode d’une cavité optique et un mode mécanique d’un résonateur, a eu une évolution impressionnante depuis dix ans et elle est devenue un nouveau champ de recherche, réunissant la physique de la matière condensée et l’optique. Un des objectifs majeurs de cette discipline est de tester et étudier la mécanique quantique en utilisant des systèmes macroscopiques. Parmi les problèmes les plus fondamentaux que la communauté aborde est la question des limites quantiques de la mesure de position. La mécanique quantique prédit que toute mesure s’accompagne d’une action en retour, ce qui perturbe l’ état du système muser ́e. En outre, il devrait être conjugué avec le bruit quantique de l’appareil de mesure (le bruit de mesure) utilisé pour sonder le système. La sensibilité e optimale est atteinte lorsque la mesure et le bruit abréaction sont identiques, une situation qui peut être assimilé à l’acceptation de l’inégalité de Heisenberg pour l’appareil de mesure. En optomécanique, le mode d’une cavité optique est utilisé comme un appareil de mesure de la position d’un résonateur mécanique qui est piloté par la pression de radiation et qui devrait être responsable pour l’action en retour de la mesure. Cependant, cette action en retour n’a jamais été observe à ce jour, alors qu’il reste une étape décisive vers la compréhension des processus du mesure quantique. Nous décrivons dans ce manuscrit l’étude des effets de la pression de radiation. Nous introduisons le système optomécanique que nous avons développé qui consiste a un résonateur mécanique plan-convexe de taille de quelques cm présentant un très haut facteur de qualité (~106) intégré dans une cavité Fabry-Pérot de très grande finesse (≃ 300 000). Nous pressentons deux résultats importants que nous avons obtenus avec ce système. Tout d’abord, nous avons rapporté la première observation directe de la pression de radiation en temps réel, basée sur l’ ́établissement pompe-sonde corrélations. Nous avons également démontré pour la première fois des effets non linéaires dû à l’action en retour lies l’amélioration substantielle de la sensibilité de la mesure de position. Nous expliquons pourquoi la démonstration de l’action en retour quantique nécessite une ultra-haute stabilité du mode optique. Nous presentons les modifications importantes apportées la configuration expérimentale précédente, notamment sur la source laser, la détection et la stabilisation de l' expérience. Nous décrivons ensuite une nouvelle technique de détection optomécanique fournissant une mesure indépendante du désaccord de la cavité. Enfin, nous pressentons une expérience de validation de principe permettant d’extraire des corrélations quantiques optomécaniques à la température ambiante.

Cavity Optomechanics, that is the study of the interaction between an optical cavity mode and a mechanical degree of freedom, has known impressive evolution over the past decade, to become a new field at the union of condensed matter physics and optics. One of the major goals of this discipline is to test and study quantum mechanics using macroscopic systems. Among the most fundamental problems the community aims to address is the question of the quantum limits in position measurement. Quantum mechanics predicts that any measurement comes along with a backaction, which perturbs the state of the measured system. Moreover, it is expected to be conjugated with the quantum noise of the measurement apparatus (called measurement noise) used to probe the system. The optimal sensitivity is reached whenever both the measurement and the backaction noise are identical, a situation which can be assimilated to the acceptance of Heisenberg's inequality for the measurement apparatus. In cavity optomechanics, the mode of an optical cavity is used as a measurement apparatus of the position of a mechanical resonator which is expected to be responsible for the back-action imprecision. However, this so-called radiation pressure quantum back-action has never been observed to date, while it remains a decisive step towards understanding quantum measurement processes. We describe in this manuscript the study of radiation pressure effects in cavity optomechanics. We introduce the optomechanical system we have developed, which consists in a cm-scale ultra high Q (~ 106 ) plano-convex mechanical resonator incorporated into a ultra-high finesse (~ 300 000) Fabry-Pérot cavity. We present two important results we obtained with this system. First, we were able to report the first direct observation of radiation pressure in real-time, based on establishing pump-probe correlations. We were also able to demonstrate for the first time nonlinear backaction effects related to substantial improvement of position measurement sensitivity. We explain why demonstrating quantum back-action requires ultra-high stability of the optical mode. We present important changes made to the previous experimental setup, notably on the laser source, on the detection and the stabilization of the experiment. We then describe a new optomechanical detection technique providing an independent measurement of the cavity detuning. Finally, we present a proof-of-principle experiment allowing to extract quantum optomechanical correlations at room temperature.