Ultrasensitive nanowire force sensors in extreme conditions : from dilution temperature to ultra-strong coupling in cavity nano-optomechanics

par Francesco Fogliano

Thèse de doctorat en Nanophysique

Sous la direction de Jean-Philippe Poizat.

Soutenue le 13-12-2019

à l'Université Grenoble Alpes (ComUE) , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Fabio Pistolesi.

Le jury était composé de David Hunger, Eddy Collin, Olivier Arcizet, Benjamin Pigeau.

Les rapporteurs étaient Antoine Heidmann, Adrian Bachtold.

  • Titre traduit

    Des sondes de force nano-optomécaniques en conditions extrêmes : des ultra-basses températures au régime de couplage ultrafort de l'opto-mécanique en cavité


  • Résumé

    Les progrès récents réalisés dans le domaine des systèmes nano-optomécaniques ont démontré leur potentiel pour détecter des forces extrêmement faibles et ouvrir de nouveaux champs d’étude en physique. Ce travail de thèse vise à étendre le champ d’application des mesures de force ultrasensibles basées sur la lecture optique des vibrations de nanofils suspendus à de nouveaux domaines : d’abord à très basse température, en démontrant la possibilité de les exploiter dans un cryostat à dilution, ensuite dans le domaine de la nano-optomécanique en cavité où leur extrême sensibilité permet d’atteindre le régime de couplage ultra-fort.Leur mise en œuvre dans un cryostat à dilution permet en effet de réduire leur bruit thermique tout en bénéficiant d’une augmentation de leur cohérence mécanique mais nécessite de réduire drastiquement les sources de bruits externes, d’origine électrique ou mécanique, tout en opérant à des puissances optiques extrêmement faibles afin de limiter le chauffage par absorption. Nous présentons les développements réalisés, qui nous ont permis d’observer un nanofil présentant une température de bruit de 32 mK grâce à des techniques de mesures fonctionnant en régime de comptage de photon, lorsque moins d’un photon est détecté par période mécanique. Nous étudions les propriétés mécaniques et thermique de ces sondes de force à très basses températures, qui ont permis d’atteindre une sensibilité record pour une sonde locale, de l’ordre de quelques dizaines de zN/Hz^1/2, ce qui est en principe suffisante pour détecteur l’interaction électron-électron à une distance de plus de 100 µm.Dans la seconde partie du manuscrit, on décrit une nouvelle expérience de nano-optomécanique en cavité fonctionnant à température ambiante. Elle consiste à insérer l’extrémité vibrante d’un nanofil suspendu dans une micro-cavité fibrée de grande finesse. La combinaison de son volume de mode très réduit, de la très grande sensibilité en force des nanofils et de l’interaction optomécanique gigantesque obtenue rend cette approche extrêmement intéressante pour la nano-optomécanique en cavité. En effet, on démontre qu’il est possible d’atteindre le régime de couplage ultrafort, dans lequel un seul photon intra-cavité est capable de déplacer le nano-résonateur de plus que ses fluctuations de point zéro. Ceci nécessite d’avoir une constante de couplage par photon g0 dépassant la fréquence mécanique du nanofil Wm. Après avoir décrit l’expérience, on étudie comment le nanofil permet d’imager le champ lumineux intra-cavité en cartographiant ses propriétés optiques en fonction de la position du nanofil de diamètre sub-longueur d’onde dans l’onde stationnaire. Cela permet de quantifier et de cartographier l’intensité et l’orientation de l’interaction optomécanique qui acquiert alors un caractère vectoriel. De plus nous avons étudié l’interaction en sens inverse, en cartographiant le champ de force intra-cavité ressenti par le nanofil en fonction de sa position dans le mode de cavité et comparé nos résultats à des simulations numériques.La mise en œuvre de cette approche optomécanique dite du «nanofil au milieu» à très basse température devrait permettre de réduire suffisamment le bruit thermique des nanofils pour explorer l’optomécanique en cavité au photon unique. Dans ce régime, un seul photon intra-cavité est capable de rendre le système bistable statiquement, ce qui ouvre la voie à des développements nouveaux en optique quantique, ne serait que parce que les théories de champ moyen ne sont alors plus pertinentes.


  • Résumé

    In recent years nano-optomechanical systems have proven to be a powerful resource to detect ultra-weak forces, thus providing new insights on fundamental interactions. In this work we extend the experimental range of ultrasensitive force measurements based on optically readout vibrations of suspended silicon carbide nanowires to novel experimental regimes: first through operations at dilution temperatures, second in the ultrastrong coupling regime of cavity nano-optomechanics.Operating those force sensors at dilution temperatures permits to reduce their thermal noise and further benefit from an increased mechanical coherence. However this requires eliminating the sources of unwanted vibrations, such as electrical or mechanical noises, and operating at ultralow optical powers to avoid unwanted laser heating. We expose the experimental developments that lead us to observe a nanowire featuring a noise temperature measured at the 32mK level, while exploiting novel optical readout schemes operating in the photon counting regime, where less than a photon is detected per mechanical period. We discuss their mechanical and thermal properties at low temperatures and report on enhanced force sensitivities of a few tens of zN/Hz^1/2, which are sufficient in principle to detect the electron-electron Coulomb interaction over distances larger than 100 µm.In the second part of the manuscript, we describe a novel cavity nano-optomechanical experiment at room temperature that consists in inserting the vibrating extremity of a suspended nanowire with sub-wavelength sized diameter, in a high finesse fiber micro-cavity. The combination of its small mode volume, of the extreme force sensitivity of the nanowires and of the large optomechanical interaction strength demonstrated makes the system very interesting for further explorations of the field of cavity nano-optomechanics. In particular we demonstrate that one can reach the so-called ultrastrong coupling regime, where one single intracavity photon can displace the oscillator by more than its zero point fluctuations. This is achieved when the single photon coupling strength g0 exceeds the mechanical frequency Wm. After having described the experimental platform, we investigate how the nanowire perturbs the intracavity field by mapping the cavity properties as a function of the nanowire position within the standing wave. This permits to quantify and spatially map the optomechanical interaction strength, which acquires a vectorial character. Furthermore we explored the interaction in the reversed direction by mapping the intracavity optical force field experienced by the nanowire and compared our results with dedicated numerical simulations.Implementing this nanowire in the middle optomechanical scheme at low temperatures will permit, by significantly reducing the nanowire thermal noise, to explore the regime of single photon cavity nano-optomechanics. In this regime, particularly interesting for fundamental quantum optics, one single intracavity photon should render the cavity statically bistable and mean field descriptions should not be relevant anymore.


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