Diamond optomechanical crystals for high-frequency strain and comb generation

La lumière et le mouvement sont généralement considérés comme deux mondes distincts. La lumière file à travers l'espace à des vitesses incroyables, tandis que le mouvement est le déplacement lent et pesant des choses solides. Pourtant, dans un domaine de la physique en pleine expansion, les scientifiques apprennent à faire dialoguer ces deux mondes. Ils construisent de minuscules machines où la lumière rebondit d'avant en arrière, poussant et tirant sur le matériau lui-même. Lorsque la lumière est assez forte et la machine assez petite, les photons — les particules de lumière — peuvent refroidir la machine jusqu'à son état le plus calme possible, ou peuvent la faire vibrer avec une telle précision qu'elle devient un outil pour sonder l'univers. Cette interaction, où la lumière contrôle le mouvement et le mouvement modifie la lumière, est le fondement d'une nouvelle génération de technologies qui pourrait un jour relier les signaux micro-ondes utilisés dans nos téléphones aux signaux lumineux qui transportent les données sur Internet.

Pour que cela fonctionne, les matériaux utilisés doivent être exceptionnels. Ils doivent être assez rigides pour vibrer très rapidement, assez clairs pour laisser passer une lumière intense sans chauffer, et capables de conserver l'information quantique. Le diamant est un candidat parfait. C'est le matériau naturel le plus dur, ce qui signifie qu'il peut vibrer à des vitesses incroyablement élevées. C'est également un excellent conducteur de chaleur, de sorte qu'il ne fond pas sous la puissance d'un laser, et il peut héberger de minuscules défauts qui agissent comme des bits quantiques, les unités de base des futurs ordinateurs quantiques. Les chercheurs ont longtemps voulu construire des dispositifs utilisant le diamant pour exploiter cette interaction, mais fabriquer une structure de diamant assez petite pour contrôler simultanément la lumière et le son a été un défi difficile.

Une équipe de chercheurs a maintenant construit une version fonctionnelle d'un tel dispositif. Ils ont créé un minuscule faisceau de diamant monocristallin, suspendu dans l'air et structuré avec un réseau précis de trous. Cette structure agit comme un piège pour la lumière et le son. Les trous sont disposés de manière à créer un miroir qui réfléchit les ondes lumineuses et sonores vers le centre du faisceau, les confinant dans un espace très restreint. Les chercheurs ont conçu ce faisceau pour qu'il soit incroyablement étroit, ne faisant que quelques centaines de nanomètres de large, ce qui force la lumière et les ondes sonores à interagir fortement. Lorsqu'ils projettent un laser dans ce faisceau de diamant, la lumière ne se contente pas de passer à travers ; elle pousse sur le diamant, provoquant sa vibration. Comme le diamant est si rigide, ces vibrations se produisent à une fréquence d'environ 12 milliards de cycles par seconde, une vitesse bien trop rapide pour l'oreille humaine, mais parfaite pour la technologie à haute vitesse.

L'équipe a découvert qu'elle pouvait faire vibrer ce faisceau de diamant de manière autonome, sans aucune secousse externe. En réglant le laser sur une fréquence spécifique, ils ont poussé le système au-delà d'un point de bascule où la lumière a commencé à injecter de l'énergie dans le mouvement plus rapidement que le diamant ne pouvait la perdre. Cela a provoqué l'entrée du faisceau dans un état d'oscillation auto-entretenue, vibrant continuellement avec une grande amplitude. À mesure que le diamant vibrait, il modulait la lumière qui le traversait, créant une série de nouvelles fréquences lumineuses, ou couleurs, espacées de manière régulière. Cette collection de couleurs est connue sous le nom de peigne de fréquences. Dans cette expérience, les chercheurs ont généré un peigne qui s'étendait sur une plage de 143 milliards de cycles par seconde, avec des couleurs individuelles espacées de 12 milliards de cycles par seconde. Il s'agit d'une plage beaucoup plus large et d'un espacement plus grand que ce qui a été réalisé dans des dispositifs similaires fabriqués à partir d'autres matériaux, démontrant le pouvoir unique de la plateforme de diamant.

En analysant la forme et l'intensité de ce peigne de lumière, les chercheurs ont pu mesurer exactement l'ampleur du mouvement du diamant. Ils ont calculé que la surface du diamant se déplaçait d'avant en arrière sur une distance de 130 picomètres. Pour donner une perspective, cela représente environ la largeur d'un seul atome, mais le mouvement se produit à une vitesse de 12 milliards de fois par seconde. Ce mouvement crée une quantité massive de contrainte, ou d'étirement et de compression, au sein du réseau cristallin du diamant. La contrainte totale a atteint un niveau de 0,0011, ce qui est plus de cinquante fois plus fort que ce qui avait été réalisé lors de précédentes expériences sur le diamant. Ce niveau de contrainte est significatif car il est assez puissant pour potentiellement contrôler les états quantiques des défauts à l'intérieur du diamant.

Les implications de ce travail vont au-delà de la simple création d'un nouveau type de source de lumière. La capacité de générer une contrainte aussi forte à des fréquences aussi élevées ouvre une voie directe vers le contrôle des bits quantiques présents dans le diamant. Ces bits quantiques, qui sont des défauts dans le cristal de diamant, peuvent être manipulés par la contrainte mécanique du faisceau vibrant. Les chercheurs ont montré que leur dispositif pouvait produire des niveaux de contrainte suffisants pour influencer ces états quantiques, suggérant un moyen de lier le mouvement mécanique du diamant à ses propriétés quantiques internes. Cela pourrait mener à de nouvelles façons de stocker l'information ou de convertir les signaux entre différentes formes d'énergie. Le dispositif fonctionne à température ambiante, ce qui est un avantage majeur, car il ne nécessite pas le froid extrême habituellement nécessaire pour les expériences quantiques. Les chercheurs ont confirmé leurs résultats grâce à des mesures détaillées des interactions lumière-son, vérifiant que les modèles théoriques de couplage entre la lumière et le mouvement dans le diamant étaient corrects.

Cette réussite représente une étape importante dans le domaine de l'optomécanique. En prouvant qu'un cristal de diamant peut supporter des vibrations à haute fréquence et des interactions lumière-matière fortes à température ambiante, l'équipe a fourni une plateforme robuste pour de futures expériences. Le dispositif est capable de générer des motifs de lumière complexes et d'exercer des forces mécaniques précises, le tout dans une structure plus petite qu'un cheveu humain. Le succès de cette expérience suggère que les systèmes à base de diamant pourraient devenir un outil standard pour la construction de technologies quantiques, offrant un moyen de combler le fossé entre le monde mécanique et le monde quantique. Les chercheurs prévoient de franchir l'étape suivante en intégrant des défauts quantiques spécifiques dans ces faisceaux vibrants, dans le but de démontrer un contrôle direct sur les états quantiques grâce au mouvement mécanique. Ce travail pose les jalons d'un avenir où la lumière, le mouvement et l'information quantique seront intégrés de manière fluide dans une technologie unique et puissante.