Cavity optomechanics with a micropillar in cryogenic environment for the observation of the quantum regime of a macroscopic mechanical oscillator. - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2013

Cavity optomechanics with a micropillar in cryogenic environment for the observation of the quantum regime of a macroscopic mechanical oscillator.

Optomécanique en cavité cryogénique avec un micro-pilier pour l'observation du régime quantique d'un résonateur mécanique macroscopique

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Aurélien G. Kuhn
  • Function : Author
  • PersonId : 955640

Abstract

We present the operation of an experimental setup designed to optically measure the quantum position fluctuations of a macroscopic mechanical resonator. The resonator is kept in a cryogenic environment and its movement is monitored with a high-finesse Fabry-Perot cavity. We have designed and realized an optimized resonator for the observation of its quantum position fluctuations. It consists in a quartz micropillar vibrating on a compression mode and clamped at its center by a thin membrane. We have demonstrated a fundamental vibration mode oscillating at 4 MHz with a mechanical quality factor close to two millions. We have implemented this resonator in a high-finesse Fabry-Perot cavity. A high-reflectivity mirror is coated only on top of the pillar in order to avoid any altering of its mechanical quality factor. We have developed a laser photoablation technique in order to realize the coupling mirror of the cavity with a very small radius of curvature as well as a high reflectivity. This allows us to build a cavity with a finesse of 50 000 and an optical beam waist, smaller than 10 μm, fitting the transverse size of the resonator. We had make a dilution refrigerator especially designed and optimized for ultrasensitive position measurement, in which we have operated the optomechanical device. The whole optical setup, made of an ultra-stable laser source and a resonator motion detection device, allows us to observe thermal position fluctuations of the resonator down to about 1 K.
Nous présentons la réalisation d'un montage expérimental visant à mesurer optiquement les fluctuations quantiques de position d'un résonateur mécanique macroscopique. Le résonateur est placé dans un environnement cryogénique et son mouvement est observé grâce à une cavité Fabry-Perot de grande finesse. Nous avons conçu et réalisé un résonateur optimisé pour l'observation de ses fluctuations quantiques de position. Il s'agit d'un micro-pilier en quartz vibrant selon un mode de compression et maintenu en son milieu par une fine membrane. Nous avons obtenu un mode fondamental de vibration oscillant à 4 MHz avec un facteur de qualité mécanique de près de deux millions. Nous avons conçu une cavité Fabry-Perot de grande finesse avec ce résonateur. Un miroir de haute réflectivité est déposé uniquement au sommet du pilier afin d'éviter de dégrader son facteur de qualité mécanique. Nous avons développé une technique d'ablation par laser pour réaliser des coupleurs d'entrée de la cavité ayant à la fois un très faible rayon de courbure et une grande réflectivité. Ceci nous a permis de construire une cavité de finesse 50 000 dont la taille du col optique, inférieure à 10 μm, est bien adaptée aux dimensions du résonateur. Nous avons fait développer un cryostat à dilution optimisé pour une mesure de position ultrasensible, dans lequel nous avons placé le dispositif optomécanique. L'ensemble du montage optique, constitué d'une source laser ultra-stable et d'un dispositif de détection des mouvements du résonateur, nous a permis d'observer les fluctuations thermiques de position du résonateur jusqu'à une température de l'ordre de 1 K.
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Dates and versions

tel-00842915 , version 1 (09-07-2013)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00842915 , version 1

Cite

Aurélien G. Kuhn. Optomécanique en cavité cryogénique avec un micro-pilier pour l'observation du régime quantique d'un résonateur mécanique macroscopique. Physique Quantique [quant-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00842915⟩
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