Une corde qui ne se désaccorde jamais : les modes supérieurs maintiennent la lumière en résonance ✛
Accorder une corde : les harmoniques supérieures aident à garder le ton sans étouffer la note fondamentale. Dans une microcavité optique, un minuscule résonateur composé de deux miroirs, la lumière voyage entre les surfaces réfléchissantes, et toute vibration de la distance perturbe la résonance. Les ingénieurs de l'Université de Lund ont transformé ce problème en avantage : au lieu de lutter contre les modes spatiaux supérieurs, ils les ont fait travailler comme stabilisateurs.
Le résonateur de Fabry-Perot, composé d'un miroir plan et d'une extrémité concave de fibre monomode, a été suspendu à trois ressorts pour isoler les vibrations du cryostat. Ensuite, deux méthodes de stabilisation active ont été testées. La première, le verrouillage sur le flanc du creux de réflexion, fonctionnait, mais la précision diminuait avec l'ordre du mode : de 1,3 pm pour le mode fondamental à 2,5 pm pour TEM50. La raison en est les pertes par diffraction sur le miroir fini de rayon 10,5 µm, qui réduisaient la finesse, c'est-à-dire le nombre de réflexions de la lumière entre les miroirs.
La seconde méthode, le verrouillage en biais sur les modes impairs d'Hermite-Gauss TEM10, TEM30, TEM50, s'est avérée plus précise. Le signal d'erreur était extrait de l'interférence entre le mode fondamental réfléchi et le mode supérieur résonant sur un photodétecteur à quatre quadrants. Sur le mode TEM10, avec une puissance intracavité de 32 mW, une stabilité de 0,5 pm RMS a été atteinte, soit quatre fois mieux qu'avec le verrouillage sur le flanc. La fuite de photons du faisceau de verrouillage dans la fibre monomode pour TEM10 était 8 fois plus faible que pour TEM00, et pour TEM30, 20 fois plus faible, ce qui, combiné au filtrage, donne une suppression de plus de 100 fois.
Auparavant, on ne savait pas s'il était possible de stabiliser une microcavité ouverte avec une grande précision sans contaminer le détecteur de photons uniques avec la lumière du faisceau de verrouillage. Désormais, il est démontré que le verrouillage en biais sur les modes supérieurs résout les deux problèmes à la fois. La méthode est prête à être appliquée dans des expériences avec des émetteurs uniques dans des cavités ouvertes, en particulier à des températures cryogéniques. La prochaine étape est l'intégration de la cavité avec des nanocristaux dopés aux ions de terres rares pour tester l'effet Purcell.
Revenons à la corde : les harmoniques supérieures ne se contentent pas de sonner avec la note fondamentale, elles maintiennent son ton lorsque l'instrument vibre. En optique, les modes supérieurs font de même pour la lumière, ouvrant la voie aux réseaux quantiques avec des émetteurs uniques.
La stabilité de 0,5 pm représente environ un cinquante-millième du diamètre d'un atome d'hydrogène. Si la distance entre les miroirs était d'un mètre, cette précision correspondrait à un contrôle de l'écart avec une erreur de la moitié d'un pour cent de l'épaisseur d'un cheveu humain.
L'idée d'utiliser les modes supérieurs pour stabiliser un résonateur fait écho au concept d'« amortissement quantique » du roman de Greg Egan, « Quarantaine », où l'ajustement précis de cavités optiques permet de contrôler les états quantiques de particules uniques.