Refroidissement de résonateurs mécaniques macroscopiques proche de leur état quantique fondamental

Cooling macroscopic mechanical resonators close to their quantum ground state

• Auteur / Autrice : Rémi Metzdorff
• Direction : Pierre-François Cohadon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/07/2019
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Agnès Maître
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Pinard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Philippe Poizat, Rémy Battesti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Ondes gravitationnelles

Optomécanique

Optique quantique

Bruit de grenaille

Refroidissement

Résonateurs optiques

Fabry-Pérot, Interféromètres de

Mots clés libres

Optomécanique

Cavité Fabry-Perot

Cryogénie

État quantique fondamental

Refroidissement laser

Action en retour quantique

Optomechanics

Fabry-Perot cavity

Cryogenics

Quantum ground state

Laser cooling

Quantum backaction

Résumé

Les développements considérables des dernières décennies pour améliorer les mesures interférométriques de petits déplacements ont notamment permis en 2015 l'observation du premier signal d'ondes gravitationnelles associé à la coalescence de deux trous noirs. Après avoir réduit les bruits d'origines classiques, la sensibilité de la génération actuelle d'interféromètres gravitationnels se retrouve limitée par le bruit quantique à l'origine de la limite quantique standard. L'objectif de cette thèse est de développer un système qui permette d'étudier ce bruit et qui vise à observer le bruit quantique de pression de radiation proche de la résonance mécanique d'un miroir mobile. Ce bruit étant très faible, il est d'abord nécessaire de refroidir le résonateur proche de son état quantique fondamental pour réduire le mouvement brownien du miroir qui masque habituellement le bruit quantique. Le défi de cette thèse repose sur l'utilisation de deux types de résonateurs macroscopiques avec des masses effectives de l'ordre de 100 µg (au-dessus de la masse de Planck (22 µg) qui marque habituellement la limite entre la description quantique et la description classique). On présente donc ici le refroidissement en cavité de ces résonateurs dans le cadre de l'optomécanique, d'abord à l'aide d'un cryostat à dilution, puis en utilisant le refroidissement par rétroaction avec la pression de radiation. On a ainsi pu obtenir un niveau moyen d’occupation thermique de 5,3 phonons pour un résonateur ayant une masse effective de 33,5 µg et de 55 phonons pour un autre type de résonateur encore plus massif (112 µg). Ces mesures sont soumises à de nombreuses difficultés expérimentales qui seront discutées.

Recent decades have seen major developments in small displacement measurements with interferometric methods. One of the most important results was the observation of gravitational waves produced by a binary black hole merger in 2015. Since then and after all sources of classical noises have been vastly reduced, the sensitivity of these interferometers have been improved to reach the standard quantum limit (SQL), a fundamental limit directly coming from the quantum noise of the light used as a meter. The goal of this PhD thesis is to develop an optomechanical system to study the quantum noise in order to test new measurement schemes to go beyond the SQL. This noise being extremely small, we need to prepare the system in a state where all other sources of noises are negligible. The main classical source is the brownian motion of the mirror, which requires to cool the mirror close to its quantum ground state. The challenge of this thesis relies in the use of resonators with effective masses above the Planck mass (22 µg) which usely corresponds to the limit between quantum and classical worlds. Here we present the optomechanical cooling of two resonators with effective masses of 33.5 and 112 µg down to a mean thermal occupation of 5 and 55 phonons. Experimental issues to reach such a low occupation number are discussed.