L’interaction lumière-matière est au coeur des technologies quantiques : La très grande sélectivité de la lumière laser permet de contrôler l’état quantique des atomes, avec une très grande précision. C’est sur ce principe que repose l’utilisation des cristaux dopés aux ions de terre rare, au sein desquels les impuretés atomiques bénéficient de structures permettant d’assurer la protection de leurs propriétés quantiques. Ces matériaux connaissent actuellement un essor remarquable avec de nombreuses applications comme le traitement de l’information à très haut débit, les mémoires et les convertisseurs quantiques, et la métrologie.
L’utilisation et les performances de ces systèmes sont limitées par l’action même de la mesure optique, susceptible de produire d’importantes distorsions du spectre des atomes éclairés par le faisceau laser. L’origine de ce phénomène connu de longue date restait jusqu’alors un problème en suspens, du fait notamment de la multiplicité des mécanismes pouvant être impliqués. C’est à cette question importante que répond le travail des chercheurs de l’Institut Langevin, de LuMIn, et de l’Institut Néel, en identifiant le processus fondamental sous-jacent à ces perturbations [2].
Pour le comprendre, il est nécessaire de prendre du recul : en mécanique quantique, le concept de mesure est indissociable de celui d’action en retour, qui correspond à un effet dynamique venant altérer l’état de l’observable mesurée. Ces notions sont à rapprocher du Principe d’Incertitude d’Heisenberg, qui stipule que la précision de mesure d’une grandeur physique ne peut être indéfiniment accrue qu’au détriment d’une autre variable du système (par exemple la position et la vitesse d’une particule mobile, respectivement).
Dans des travaux antérieurs portant sur un cristal particulier, le Tm:YAG, les chercheurs avaient remarqué que la mesure continue de l’état des atomes représentait une estimation extrêmement sensible des contraintes appliquées localement au cristal [1]. En suivant les principes fondamentaux de la mécanique quantique, une telle mesure devrait donc nécessairement s’accompagner d’un effet d’action en retour, c’est à dire de l’apparition d’une contrainte au voisinage des atomes illuminés. Cette hypothèse était très audacieuse : l’évaluation d’un tel effet, jamais observé, renvoyait des valeurs très faibles qui rendraient son observation illusoire, voire impossible.
Les chercheurs ont alors conçu une expérience très astucieuse consistant à cartographier l’évolution temporelle des déformations d’un cristal de Tm:YAG soumis à une excitation périodique des atomes situés à proximité de sa surface. Ce dispositif inédit de "tomographie optomécanique résolue en temps" permet en effet de découpler les différents phénomènes de forçage impliqués selon leur dynamique propre. Ainsi, les chercheurs ont pu mettre directement en évidence la force associée à l’illumination résonante des atomes, et identifier ses deux principales composantes : une contrainte d’origine photothermique d’une part, résultant de la désexcitation non-radiative des atomes, et une contrainte associée au changement de l’état orbital de l’atome, baptisé "piezo-orbital", correspondant à l’effet recherché.
L’un des aspects les plus remarquables de cette démonstration est l’adéquation quasi-parfaite entre la dynamique interne des atomes, et celle des forces macroscopiques générées par leur illumination, établissant ainsi un lien direct entre les mondes quantiques et classiques. Ce lien est d’autant plus surprenant que ces expériences ont toutes été menées dans les conditions de température et de pression ambiantes, ce qui ouvre de nouvelles possibilités très intéressantes notamment pour les technologies quantiques. Ce travail met également en évidence le potentiel des cristaux dopés aux ions de terre rare comme nouveau système optomécanique hybride ultra-sensible, avec en perspective le transfert réversible d’états quantiques à des états mécaniques.
Figure : Schéma de principe de l’expérience ayant permis la mise en évidence de l’effet d’action en retour mécanique d’une mesure optique dans un cristal dopé aux ions de terre rare. Le faisceau laser rouge traverse le cristal près de l’une de ses surfaces et excite optiquement les ions, ce qui déforme périodiquement ladite surface. Les mouvements de cette surface sont sondés par un second faisceau laser, en bleu, qui vient se réfléchir sur cette surface mouvante et dont l’inclinaison est ensuite mesurée par un détecteur sensible à la position.
References
[1] A. Louchet-Chauvet, R. L. Ahlefeldt, T. Chanelière
Piezospectroscopic measurement of high-frequency vibrations in a pulse-tube cryostat.
Review of Scientific Instruments, 90(3), 2019
[2] A. Louchet-Chauvet, P. Verlot, J.-P. Poizat, T. Chanelière
Piezo-orbital backaction force in a rare-earth doped crystal.
Physical Review Applied 20, 054004 (2023)
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