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Fait marquant

Quantique : quand un atome artificiel fait osciller un micro-fil


Des chercheurs de notre laboratoire [collaboration] sont parvenus à mettre en mouvement un oscillateur mécanique de 18 µm de long en excitant optiquement un atome artificiel intégré en son sein. Ce résultat constitue une étape importante vers la réalisation d'interfaces capables de connecter les mondes quantique et classique.

Publié le 2 mars 2021
Des atomes réels ou « artificiels » comme les «  boîtes quantiques » semi-conductrices peuvent aujourd'hui être préparés dans un état quantique bien défini, via une excitation optique. Ce n'est pas le cas pour un système mécanique macroscopique qui possède un grand nombre de degrés de liberté. Si ce verrou était levé, la voie serait ouverte à des capteurs de force ou de position d'une extraordinaire précision ou encore, à de nouvelles fonctions pour le traitement quantique de l'information.

Dans ce contexte, une stratégie prometteuse consiste à introduire un atome artificiel (un système quantique à deux niveaux d'énergie) au cœur d'un système mécanique afin d'« imprimer » son état quantique sur le dispositif macroscopique.

Fruit de plusieurs années de développement, le dispositif mis au point par les chercheurs de l'Irig et leurs collègues est constitué d'un micro-fil conique semi-conducteur d'arséniure de gallium, à la base duquel est intégrée une boîte quantique d'arséniure d'indium, décalée par rapport à l'axe de symétrie du micro-fil. Dans cette nouvelle expérience, la boîte quantique est éclairée avec des impulsions laser accordées sur la transition entre ses deux niveaux d'énergie. Chaque photon absorbé fait apparaître une paire électron-trou dans la boîte, induisant une augmentation de son volume et donc une modification importante du champ de contrainte parcourant le micro-fil et enfin… la déflexion de celui-ci. La répétition de l'excitation optique à la fréquence de résonance du micro-fil le fait vibrer !

La détection de cette vibration représente cependant un formidable défi expérimental. En effet, son amplitude ne dépasse pas 0,6 picomètre (10-12 m), soit le millième de la taille d'un atome ! L'expérience est certes refroidie à très basse température (20 K) mais ce déplacement minuscule reste masqué par les fluctuations d'origine thermique affectant la position du micro-fil. Les physiciens ont relevé le défi grâce à une détection optique ultra-sensible, qu'ils ont dû répéter un grand nombre de fois dans des conditions de stabilité extrêmes.

Si des progrès importants demeurent nécessaires pour transférer les états quantiques d'un atome artificiel à un oscillateur mécanique macroscopique, cette preuve de principe met en lumière le fort potentiel de la manipulation tout-optique de systèmes hybrides associant une boîte quantique et un microfil semi-conducteur.
Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec l'Institut Néel (CNRS/Université Grenoble Alpes/Grenoble INP), le CEA-Irig, l'ENS Lyon, l'Université de Campinas (Brésil), et l'Université de Nottingham (Grande-Bretagne).

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