Étude théorique de couplages non conventionnels dans des systèmes d'optomécanique quantique

In recent years the zoology of tamed quantum systems has witnessed the arrival of a new member. In the field of optomechanical cavities it has been proven that it is possible to lead micro and nano mechanical resonators to their vibrational quantum ground state. This feat is made possible by the ability of optomechanical resonators to optically cool down the brownian motion of the mechanical degrees of freedom.We study the cooling mechanisms in optomechanical cavities subject to unconventional coupling schemes. In particular we discuss how photothermal cooling leads the mechanical resonator to its ground state in regimes of parameters for which the more usual radiation-pressure based cooling is unable to quench effectively enough the thermal brownian motion.On the other hand the maturity of experimental optomechanics has opened the path for the exploration of strong coupling regimes where a single photon is enough to modify the mechanical properties beyond the zero point fluctuations. Following this trend we present as well our predictions for a system combining quantum electrodynamics and quantum optomechanics. We show that by introducing an artificial two level atom inside the optomechanical cavity the cooling and amplification of mechanical motion are greatly modified. We also show how the intrinsic non-linearity of the artificial atom leads to non-classical states of the mechanical resonator.Ces dernières années la zoologie de systèmes quantiques apprivoisés a vu l’entrée d’un nouveau membre. Dans le domaine des cavités optomécaniques on a démontré qu’il est possible d’amener des résonateurs micro et nanométriques vers leur état quantique fondamental. Ce fait est rendu possible par la capacité de ces cavités à refroidir optiquement les fluctuations Browniennes des degrés de liberté mécaniques.Nous étudions des mécanismes non conventionnels de refroidissement optique dans des cavités optomécaniques. En particulier nous discutons comment les forces photothermiques (ou bolométriques) pourraient permettre d’atteindre l’état quantique fondamental d’un résonateur mécanique, et ce dans des régimes de paramètres où le refroidissement usuel par pression de radiation est limité.D’autre part la maturité expérimental des cavités optomécaniques permet aujourd’hui d’explorer des régimes de couplage fort où un seul photon est suffisant pour perturber le résonateur mécanique au delà de ses fluctuations de point zéro. Suivant cette tendance nous présentons nos prédictions théoriques concernant un système qui combine l’électrodynamique quantique de cavité et l’optomécanique quantique. Nous démontrons que l’introduction d’un atome artificiel à deux niveaux dans la cavité optomécanique mène à des régimes de refroidissement et d’amplification inédits. Par ailleurs nous montrons comment la non-linéarité intrinsèque du système à deux niveaux permet d’atteindre des états non-classiques du résonateur mécanique