Transducteurs optomécaniques à base de boites quantiques – QDOT

Durant la dernière décennie, les progrès en nanofabrication ont permis une expansion très rapide du domaine de la nanomécanique. Les nanotechnologies ont ainsi permis la réalisation d’oscillateurs mécaniques ultra-compacts, qui sont utilisés dans des capteurs ultra-sensibles de position, de force ou de masse. Ces systèmes microélectromécaniques (MEMS) sont aujourd’hui présents dans de nombreux objets du quotidien tels les smartphones ou les automobiles, comme accéléromètre, magnétomètre, capteur de pression ou de gaz. On les trouve également au cœur d’équipements scientifiques tel que les microscopes à force atomique. D’un point de vue plus fondamental, le refroidissement d’un oscillateur mécanique dans son état quantique fondamental a été démontré il y a 5 ans. Ce résultat clé a marqué l’arrivée de la nanomécanique dans le domaine quantique, ouvrant la voie à la réalisation de capteurs quantiques de haute sensibilité.

Le succès remarquable des résonateurs MEMS est principalement lié à leur masse réduite, qui permet une très faible consommation énergétique alliée à une grande sensibilité. Pour améliorer encore la sensibilité de détection, et concevoir une nouvelle génération de transducteurs intégrés, les dimensions des systèmes mécaniques ont été encore réduites. Deux verrous majeurs sont alors apparus. Tout d’abord, en raison de leurs dimensions extrêmement réduites, ces systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) sont très difficiles à détecter. De plus, leur masse très faible les rend extrêmement sensibles aux perturbations externes, dont celles induites par la mesure même.

Le projet QDOT propose de dépasser ces limitations technologiques et de développer un nouveau type de capteur quantique intégré. Notre approche est basée sur un système optomécanique hybride composé d’une boîte quantique (BQ) intégrée dans un nanofil photonique vibrant. Lorsqu’il vibre, le fil se déforme, générant une contrainte mécanique au niveau de la BQ. Cette contrainte oscillante induit une oscillation de l’énergie d’émission de la BQ, qui peut être exploitée pour sonder le mouvement du fil avec une grande sensibilité et une très faible puissance optique (picowatt). Réciproquement, l’émission de photons par la BQ s’accompagne d’un recul qui peut mettre en mouvement le nanofil. En détectant ce mouvement, on peut alors mesurer l’état de la BQ de manière non destructive.

Le concept innovant porté par QDOT présente de nombreux avantages pour la réalisation de capteurs. D’un point de vue technique, le nanorésonateur mécanique intègre un détecteur optique très sensible du mouvement mécanique, qui est robuste aux erreurs d’alignements et qui ne nécessite aucune calibration. De plus, le système combine une extraction très efficace de la lumière émise par la BQ, une dissipation très faible et un couplage par contrainte très élevé. Ces qualités permettent d’envisager une mesure dont la précision est limitée par la mécanique quantique, qui s’approche de la limite de Heisenberg, correspondant à une perturbation minimum par la mesure . Enfin, les dimensions nanométriques de la BQ permettent de réduire les dimensions du résonateur mécanique jusqu’à des tailles pour lesquelles les techniques conventionnelles de détection nanomécanique sont inopérantes, tout en préservant les avantages mentionnés plus haut.

Ces propriétés uniques sont autant d’atouts pour le projet QDOT, qui vise à développer une nouvelle génération de capteurs nanomécaniques de force, combinant une sensibilité extrême, limitée par la mécanique quantique, une très faible consommation énergétique, et une très grande stabilité.

Pour atteindre cet objectif ambitieux, QDOT va mettre en place des méthode en rupture, représentant un potentiel important pour des applications industrielles et un impact international.