Refroidissement laser d’une membrane en nitrure à la limite quantique

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Les résonateurs micro/nano-mécaniques ont conquis le domaine de l’électronique en leur qualité de composants mécano-électriques capables de réaliser certaines fonctions utiles (gyroscope, accéléromètre, ou même interrupteur, en étant loin d’être exhaustif). Avec le développement de l’électronique quantique et de l’information quantique, l’idée d’incorporer des MEMS ou NEMS dans les circuits quantiques est naturellement apparue. Le dispositif mécanique doit donc en premier lieu être refroidi dans son état quantique fondamental. Des fonctions uniques peuvent alors être envisagées, comme la réalisation de circulateurs micro-onde « on-chip », le stockage de l’information quantique ou même la conversion d’information quantique entre le domaine optique et le domaine micro-onde, brique qui semble indispensable à l’heure actuelle pour l’interfaçage d’ordinateurs quantiques entre eux ([1-5] respectivement).

Le refroidissement de tels objets mécaniques dans leur état fondamental a déjà été démontré, en particulier en combinant cryogénie et pompage optique (c.f. références précédemment citées). Cependant, jamais la limite théorique d’un tel processus actif n’avait été atteinte, et en particulier la compatibilité des technologies cryogéniques/laser pouvait être questionnée. Dans cet article [6], une membrane en nitrure de silicium, pré-refroidie à environ 400 mK est activement pompée par un laser jusqu’à un taux d’occupation thermique d’environ 0.2 phonon. Bien que le laser puisse échauffer l’environnement du micro-résonateur, et malgré les limitations expérimentales (stabilité de la cavité optique, imperfections du mode mécanique), les auteurs ont ainsi démonté la faisabilité d’un refroidissement laser « idéal » : c’est-à-dire limité uniquement par les lois de la mécanique quantique.

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Résultats expérimentaux et ajustement théorique. Occupation thermique du mode mécanique de la membrane en fonction de la puissance laser. La ligne pointillée est la limite théorique pour cette expérience. Inserts : à gauche, spectres mesurés à faible excitation laser, et à droite pour une forte amplitude (l’ajustement de l’amplitude de ces spectres permet d’extraire l’occupation thermique). Reproduit avec l'autorisation de PRL 116, 063601 (2016). Copyright APS 2016.