Projet ANR-10-PDOC-0012 – Q-NOM : Nano-Optomécanique Quantique
Programme : Retour Post-Doctorants (RPDOC) 2010
Année de financement : 2010
Coordinateur du projet : Monsieur Olivier ARCIZET (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE RHONE-ALPES SECTEUR ALPES)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique
Montant : 693056.0 euros
Durée : 46 mois
Résumé : Olivier Arcizet a été recruté  comme chargé de recherché au CNRS, dans le groupe Champ Proche de l’Institut Néel  depuis décembre 2009.  Cette demande de financement à l’ANR vise à soutenir le développement de ses activités de recherche au sein du laboratoire et son installation au sein de la communauté scientifique.
L’objectif du projet  Nano Optomécanique Quantique  est d’étendre la thématique de l’optomécanique en cavité à l’échelle nanoscopique et à observer les premières signatures quantiques dans de nouveaux systèmes hybrides constitué d’un nanorésonateur mécanique et d’un système quantique à deux niveaux.
Conséquence de  leur faible masse et de leur importante susceptibilité mécanique, les nanorésonateurs représentent un outil idéal pour la mesure de faible force. Des sensibilités meilleures que l’attoNewton/Hz 1/2 ont ainsi  déjà été obtenues expérimentalement, et en particulier ils  pourraient permettre l’observation des premiers effets quantiques de la pression de radiation. De tels  systèmes constituent naturellement  des ponts  vers les thématiques de la matière condensée à  condition d’être capable d’enregistrer et de contrôler leurs vibrations. Pour ce faire un senseur de déplacement  ultrasensible fonctionnant en champ proche optique sera développé, exploitant des microcavités optiques de très grande finesse.
Le cœur du projet vise à observer et à étudier le couplage d’un nano-résonateur à un émetteur quantique unique : un centre coloré du diamant, le centre NV  chargé négativement. Ces défauts ont été très largement étudiés au cours de la dernière décennie, principalement à cause de leur capacité à générer des photons uniques à la demande et du contrôle important gagné sur leurs propriétés de spin électronique. Leur état fondamental est un triplet de spin pouvant  être polarisé et manipulé par des techniques purement optiques et  ont  été exploités comme registre quantique démontrant des temps de décohérence records à  température ambiante.  
Les centres NV représentent donc des émetteurs quantiques éprouvés, fonctionnant d’ores et déjà dans un régime quantique et dont le couplage à un nano-résonateur mécanique à faible excitation thermique représente une  prometteuse association en tant que système optomécanique hybride. En analogie avec les expériences  d’ions piégés,  il devrait être possible par exemple de contrôler et refroidir et le  nanorésonateur mécanique en manipulant le système à deux niveaux.
 L’étude de deux types d’interactions est envisagée : le couplage optomécanique résonant à l’état électronique (effet de recul, pression de radiation) et le couplage magnétique  entre l’oscillateur et le spin électronique qui devrait permettre d’atteindre le régime de couplage fort.
Pour ce faire des nano-oscillateurs cristallins en diamant seront développés  et exploités,  à la fois pour leurs propriétés mécaniques uniques telles que la rigidité, l’importante conductivité thermique et la supraconductivité potentielle à basse température, mais aussi pour leur capacité d’héberger des centres colorés.
Les propriétés mécaniques de ces nano-résonateurs seront caractérisées à l’aide du senseur  de nano-déplacements tandis que leurs propriétés optiques et électroniques seront étudiées sur un dispositif expérimental  intégrant un microscope confocal et une source micro-onde permettant l’observation de résonances de spin.
Un dispositif cryogénique sera développé après une phase de caractérisation, afin d’observer les premiers effets quantiques dans ces nouveaux système hybride.
A vu du nombre croissant des publications ainsi que la qualité des groupes investis dans les thématiques de l’optomécanique en cavité et de la physique de centres NV,  il est évident que ce projet se positionne à l’intersection de deux branches très compétitives de la physique moderne et nécessite un fort soutient de la part de l’ANR.