Un système nano-mécanique hybride

Des physiciens grenoblois, ont observé les vibrations d’une nano-tige de carbure de silicium grâce à la lumière émise par un nano-émetteur de photons uniques attaché à son extrémité. Les progrès de la nano-mécanique rendent maintenant possible l’observation d’effets quantiques sur des nano-systèmes mécaniques. Une démarche prometteuse pour détecter et contrôler l’état quantique de ces oscillateurs mécaniques consiste à les refroidir à très basse température et à les coupler à un système quantique externe dont on sait indépendamment contrôler l’état. Des physiciens de l’institut Néel (CNRS, Grenoble), du laboratoire de photonique quantique et moléculaire (LPQM – CNRS / ENS Cachan), et du laboratoire de physique de la matière condensée et nanostructures (LPMCN – CNRS / Univ. Lyon 1) viennent de franchir un premier pas dans cette direction.

Pour parvenir à leurs fins, les physiciens ont utilisé comme oscillateur mécanique une nano-tige de carbure de silicium d’un diamètre de 50 nanomètres et long de 10 micromètres. D’une masse de 16 femtogrammes, soit 16 millionnièmes de milliardième de gramme, ce fil flexible vibre naturellement à température ambiante sous l’effet de l’agitation thermique avec une amplitude de l’ordre de 3 nanomètres. Les physiciens ont ensuite attaché à l’extrémité de ce fil une nanoparticule de diamant d’une masse de 0,2 fg ) contenant un « centre coloré » unique, c’est-à-dire un défaut cristallin du matériau se comportant comme une source de photons uniques très robuste. L’intérêt de ce système hybride est de coupler deux systèmes de nature totalement différente : d’une part les vibrations mécaniques du nanorésonateur, et de l’autre l’état quantique interne du centre coloré. En détectant la fluorescence de ce centre coloré avec un microscope confocal d’une grande sensibilité, les chercheurs ont analysé les corrélations temporelles des photons émis, et ainsi mis en évidence l’influence de la vibration mécanique du nanorésonateur sur les propriétés optiques du centre coloré. Ils ont ensuite analysé les effets d’un champ magnétique sur cet émetteur, ce qui a permis de coupler les vibrations du nanorésonateur au spin électronique du centre coloré.

Les prochaines étapes de ce travail viseront à étudier l’effet de l’état magnétique du centre coloré sur le mouvement mécanique, afin de mettre en œuvre des forces dépendant de l’état de spin, une étape essentielle à l’information quantique basée sur des nanorésonateurs mécaniques.

Illustration du dispositif expérimental

Le centre coloré a été déposé à l’extrémité d’un nanorésonateur de carbure de silicium. La fluorescence du centre est collectée par un objectif de microscope et mesurée grâce à des détecteurs de photon unique. Son état de spin est contrôlé par un champ micro-onde externe, tandis qu’un fort gradient de champ magnétique est généré par une structure magnétique micro-positionnée à proximité du système hybride.