Multimode radiation pressure actuation of a mechanical resonator using a spatial mode sorter

Dans le monde silencieux de la physique optique, la lumière est souvent traitée comme un messager qui transporte des informations sur les objets qu'elle touche. Lorsqu'un faisceau de lumière frappe un objet vibrant, la lumière diffusée change de manière à révéler le mouvement de l'objet, un principe utilisé dans tout, de l'imagerie médicale à la détection de planètes lointaines. Cependant, l'interaction fonctionne dans les deux sens. Tout comme le mouvement modifie la lumière, la lumière exerce une poussée physique infime sur l'objet, une force connue sous le nom de pression de radiation. Bien que les scientifiques soient capables depuis longtemps de mesurer comment le mouvement altère la lumière, utiliser la lumière pour pousser et contrôler précisément le mouvement d'objets plus grands et étendus est resté un défi difficile. La force est incroyablement faible et, pour des objets complexes, il est difficile de diriger cette poussée vers des parties spécifiques de la surface sans affecter l'ensemble.

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Arizona a désormais démontré une nouvelle façon d'exploiter cette force subtile. Ils ont réussi à utiliser un faisceau de lumière aux formes spéciales pour pousser et contrôler les vibrations d'une minuscule membrane carrée en nitrure de silicium. En façonnant la lumière en un motif complexe, puis en déplaçant rapidement ce motif, ils ont pu exciter des vibrations spécifiques dans la membrane et même refroidir son mouvement. Ce travail comble un fossé entre la mesure du mouvement mécanique et son contrôle actif, ouvrant la voie à des technologies plus avancées qui reposent sur la danse délicate entre la lumière et la matière.

L'expérience portait sur une membrane microscopique, une feuille carrée de nitrure de silicium mesurant 2,5 millimètres de côté et seulement 90 nanomètres d'épaisseur. À l'œil nu, cette feuille semble solide, mais sous un microscope, elle se comporte comme une peau de tambour capable de vibrer selon de nombreux motifs différents. Les chercheurs voulaient voir s'ils pouvaient utiliser la lumière pour pousser ce tambour dans des vibrations spécifiques. Pour ce faire, ils ont utilisé un dispositif appelé démultiplexeur de modes spatiaux, qui peut prendre un faisceau laser et le diviser en différentes formes ou motifs spatiaux. Ils ont choisi de travailler avec un ensemble spécifique de motifs lumineux connus sous le nom de modes Hermite-Gauss, qui ressemblent à des grilles de points brillants et sombres.

Le cœur de la découverte réside dans la façon dont ces motifs lumineux interagissent avec la membrane. Lorsque les chercheurs projetaient un simple point de lumière sur la membrane, la poussée résultante était uniforme sur ce point. Cependant, lorsqu'ils combinaient deux motifs lumineux différents et décalaient la phase entre eux, ils créaient un motif d'interférence mobile. Imaginez deux rides dans un étang qui se chevauchent ; là où elles se rencontrent, elles créent un nouveau motif changeant de pics et de vallées. Les chercheurs ont fait quelque chose de similaire avec la lumière. En modulant la phase relative entre deux modes lumineux, ils ont créé un motif de pression de radiation qui se déplaçait d'avant en arrière sur la membrane.

Cette pression mobile agissait comme une main poussant une balançoire. Si le motif lumineux se déplaçait à la bonne vitesse, il pouvait pousser la membrane dans une vibration spécifique. L'équipe a testé cela en combinant un point lumineux de base avec des formes plus complexes. Ils ont découvert que la force résultante dépendait entièrement de l'endroit où la lumière frappait la membrane. Par exemple, combiner deux modes lumineux spécifiques créait un motif de pression qui poussait la membrane latéralement, tandis qu'une autre combinaison la poussait de haut en bas. En balayant ces motifs lumineux sur la surface de la membrane, ils ont pu cartographier exactement comment la membrane répondait. Le résultat était une image détaillée montrant que la lumière pouvait exciter sélectivement différents modes de vibration, tels que ceux qui ressemblent à un damier ou à un chiffre huit, selon la forme de la lumière utilisée.

La réalisation la plus significative de l'étude a été d'utiliser ce contrôle pour refroidir le mouvement de la membrane. Tous les objets à température ambiante vibrent à cause de la chaleur, et ces minuscules vibrations sont une source de bruit qui peut interférer avec les mesures sensibles. Les chercheurs voulaient arrêter ce bruit thermique. Ils ont mis en place une boucle de rétroaction où ils mesuraient le mouvement de la membrane et ajustaient instantanément la phase de la lumière pour pousser contre ce mouvement, agissant ainsi comme un frein. Parce qu'ils pouvaient façonner la lumière pour cibler des motifs de vibration spécifiques, ils ont pu refroidir deux vibrations différentes et presque identiques en même temps. Ces deux vibrations, qui se produisent à des fréquences proches de 263 kHz, sont si proches en hauteur qu'elles interfèrent généralement entre elles, ce qui rend leur contrôle individuel difficile. Les modes présentent un désaccordage d'environ 30 Hz.

En utilisant deux paires différentes de modes lumineux, l'équipe a pu distinguer les deux vibrations. Une paire de modes lumineux était sensible à la première vibration, tandis que l'autre était sensible à la seconde. Ils ont appliqué un signal de rétroaction à chaque paire, ralentissant le mouvement de chaque vibration de manière indépendante. Les données ont montré qu'ils pouvaient réduire l'énergie de ces vibrations d'environ 10 décibels, une réduction significative du bruit thermique. Ce refroidissement simultané de deux modes distincts est une tâche difficile dans le domaine de l'optomécanique, et réussir cela avec un seul faisceau de lumière façonné de deux manières démontre un nouveau niveau de précision.

Les implications de ce travail s'étendent au-delà du simple refroidissement d'une membrane. La capacité d'utiliser de la lumière structurée pour pousser et tirer sur des parties spécifiques d'un objet suggère de nouvelles façons de manipuler les systèmes mécaniques. Les chercheurs ont noté que cette technique pourrait être appliquée à d'autres systèmes mécaniques, y compris ceux qui sont en lévitation dans les airs. Si les mêmes principes peuvent être transposés à plus grande échelle, il pourrait être possible de refroidir plusieurs objets jusqu'à leur état d'énergie le plus bas, un état connu sous le nom d'état fondamental, essentiel pour l'informatique quantique et la détection de forces ultra-sensibles. L'étude suggère également la possibilité d'utiliser différentes formes de lumière, telles que celles qui tournent comme un tire-bouchon, pour créer des forces rotatives qui pourraient faire tourner des objets mécaniques.

Le succès de l'expérience reposait sur la haute qualité de la membrane en nitrure de silicium et sur la précision du dispositif de mise en forme de la lumière. La membrane a été placée dans une chambre à vide élevé pour éliminer la résistance de l'air, lui permettant de vibrer librement. La source lumineuse était un laser avec une longueur d'onde de 1550 nanomètres, et l'intensité de la lumière a été maintenue basse pour éviter de chauffer la membrane. Les chercheurs ont utilisé une platine motorisée pour déplacer le faisceau lumineux sur la membrane, créant une carte de la réponse de la pression de radiation. Cette carte a confirmé que la force exercée par la lumière était directement liée à la forme de la lumière et à la position sur la membrane.

Ce travail représente une étape supplémentaire dans le domaine de l'optomécanique quantique, où l'objectif est de contrôler le mouvement mécanique en utilisant les propriétés quantiques de la lumière. En démontifiant que la pression de radiation peut être utilisée pour actionner et refroidir sélectivement des modes spécifiques d'un résonateur mécanique, les chercheurs ont fourni un nouvel outil aux scientifiques. La capacité de contrôler plusieurs modes simultanément est une exigence cruciale pour préparer des états quantiques complexes, nécessaires aux technologies avancées. Bien que l'expérience actuelle ait été menée sur une membrane relativement grande, les principes démontrés ici sont applicables à des systèmes plus petits et plus complexes. Les chercheurs suggèrent que les développements futurs de la technologie de mise en forme de la lumière pourraient permettre un contrôle encore plus précis, menant potentiellement à de nouvelles applications en microscopie de force et en manipulation de particules microscopiques.

L'étude a été soutenue par la National Science Foundation et l'Office of Naval Research, soulignant l'importance de cette recherche pour les futures avancées technologiques. L'équipe a reconnu les contributions de ses collègues dans la fabrication de la membrane et le soutien technique. Leur travail est une démonstration claire qu'en façonnant la lumière de la bonne manière, il est possible de pousser et de tirer sur le monde physique avec une précision qui était auparavant hors de portée. À mesure que la technologie mûrira, elle pourra devenir un outil standard pour les scientifiques travaillant à l'intersection de la lumière et de la matière, permettant de nouvelles découvertes dans le domaine quantique.