Vers l’optomécanique quantique en arséniure de gallium : dissipation nanomécanique et opération pulsée

Résumé

Au cours de ce travail de thèse nous avons conçu, fabriqué et caractérisé des nano-résonateurs optomécaniques à disques en arséniure de gallium (GaAs), en milieu cryogénique. Ces disques qui supportent à la fois des modes mécaniques vibrant au GHz et des modes optiques résonant à λ ≈ 1500 nm fortement couplés (g 0 ≈ MHz), présentent des facteurs de qualité élevés (> 10^4 pour la mécanique et > 10^5 pour l’optique, à 3 K). Malgré ces performances à l’état de l’art, le refroidissement optomécanique par bande latérale du mouvement n’est pas suffisamment efficace pour atteindre l’état fondamental quantique (moins d’1 phonon en moyenne). Nous avons étudié systématiquement les sources de dissipation mécanique qui limitent le refroidissement, et mis en évidence l’impact des systèmes à deux niveaux à la surface des nano-résonateurs. Nous avons également étudié l’excitation optique pulsée de nos systèmes, pour contourner les phénomènes absorptifs et thermiques qui contrecarrent le refroidissement, et fait ressortir deux propriétés importantes de l’excitation pulsée : la puissance optique moyenne injectée, et la période de répétition des pulses par rapport aux temps de relaxation du système. Des schémas alternatifs de contrôle optique des nano-résonateurs mécaniques émergent, qui pourraient être combinés avec une opération à ultra-basse température (<< 1 K).

mots clés

Titre traduit

Towards Quantum Optomechanics on Gallium Arsenide : Nanomechanical Dissipation and Pulsed Operation
Résumé

During this doctoral work, we have designed, fabricated and characterised gallium arsenide (GaAs) optomechanical disk nano-resonators, in a cryogenic environment. These disks which bear highly coupled (g 0 ≈ MHz) GHz mechanical modes and telecom wavelength (λ ≈ 1550 nm) optical modes, show high mechanical (> 10^4 ) and optical (> 10^5 ) quality factors at 3 K. However, despite these state of the art performances, the optomechanical sideband cooling mechanism of the mechanical motion is not efficient enough to reach the quantum groundstate (less than 1 phonon in average). To determine the limiting factors, we have presented a systematical study of the mechanical dissipation channels and shown that two-level systems (TLS) at the surface of the material play a major role. We have also studied pulsed optical excitation of our resonators, in order to avoid absorption and thermal phenomena which limit the optomechanical cooling. We thus have underlined two main properties of the pulsed excitation : average injected optical power, and repetition period of the pulses with respect to the relaxation times of our systems. Alternative optical control schemes of the mechanical nanoresonators have emerged, which could be coupled to ultra-cold operation (T << 1 K).