Un grand pas en avant dans la mesure des mouvements mécaniques
La mesure précise de la position tient une place de choix en physique. Il y a plus de 100 ans, le débat relatif à la nature atomique de la matière fut réglé par l'observation du mouvement brownien. Aujourd'hui, des chercheurs en optomécanique quantique de cavité espèrent répondre à des questions tout aussi fondamentales. L'optomécanique de cavité est un domaine de recherche apparu au cours de la dernière décennie. Il consiste à appliquer une pression de radiation (non perceptible à l'échelle macroscopique), afin de mesurer et contrôler des oscillateurs mécaniques d'échelle nanométrique ou micrométrique, et de mesurer des déplacements avec une sensibilité sans précédent. Le projet QCDOM, financé par l'UE, a contribué à ce domaine en mettant au point un système nano-optomécanique à l'échelle d'une puce, capable de mesures extrêmement précises. Il est constitué d'un microrésonateur optique (qui confine pendant une longue durée la lumière dans un volume microscopique sur la puce), couplé avec un petit oscillateur nano-mécanique, ici une corde vibrante. «En couplant efficacement l'oscillateur nano-mécanique avec le champ de la cavité optique, nous avons obtenu l'un des dispositifs les plus sensibles à ce jour pour mesurer les déplacements mécaniques», explique le coordinateur du projet, le professeur Tobias Kippenberg de l'École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suisse. Cette sensibilité permet de résoudre l'équivalent des fluctuations du vide de la mécanique quantique pour un oscillateur mécanique, pendant son délai de décohérence thermique (la durée nécessaire pour que son état quantique soit détruit par l'environnement). En procédant ainsi, les chercheurs ont pu avoir un indice des effets quantiques découlant de la mesure elle-même. Kippenberg et son équipe ont réalisé cette avancée grâce à l'arrivée d'un expert en optique quantique, le Dr Dal Wilson, du prestigieux California Institute of Technology (Caltech) de Pasadena aux États-Unis, avec l'aide d'une subvention Marie Skłodowska-Curie pour une bourse internationale entrante financée par l'UE. Les deux années d'activité du projet se sont achevées fin novembre 2015, et les résultats ont été publiés dans la grande revue scientifique Nature. La possibilité d'atteindre une telle précision dans la mesure des mouvements est intéressante car elle apporte des preuves des limites imposées par la mécanique quantique sur la précision des mesures de position. En effet, la position et l'inertie d'un oscillateur mécanique ne peuvent être mesurées simultanément avec une précision arbitraire. Ceci conduit à une «action quantique en retour» très fondamentale sur les mesures, qui est discernable dans les expériences décrites par les chercheurs. Des applications pratiques Malgré le caractère fondamental de ses travaux de recherche, le projet peut avoir des conséquences pratiques. De fait, on trouve déjà dans le commerce des capteurs MEMS (systèmes micro-électromécaniques) capables de mesurer précisément les mouvements, les accélérations et les rotations. Les téléphones portables utilisent des résonateurs piézo-mécaniques pour filtrer les signaux radio, et l'automobile et l'aviation utilisent des oscillateurs mécaniques à quartz pour mesurer le temps et la navigation. Les capteurs nano-optomécaniques du projet QCDOM peuvent avoir d'autres fonctions, comme la mesure exacte de la température ou l'amplification de faibles signaux radio. «Il convient de souligner qu'en à peine 10 ans, nous avons vu apparaître un tout nouveau concept pour actionner, lire et contrôler les oscillateurs nano et micromécaniques», déclare le Dr Kippenberg. «Il a déjà conduit à des progrès remarquables dans la physique quantique expérimentale ainsi que dans les sciences. Des travaux expérimentaux comme les nôtres montrent tout le potentiel que pourrait libérer de tels systèmes opto- et électromécaniques.» La possibilité de mesurer avec encore plus de précision une grandeur aussi fondamentale que la position d'un objet macroscopique devrait conduire à observer et vérifier les prévisions étranges de la théorie quantique, à des échelles sans précédent. D'autres informations sont disponibles sur le site web du laboratoire du coordinateur du projet.
Mots‑clés
QCDOM, optomécanique quantique de cavité, oscillateurs nano-mécaniques, MEMS
