Ce travail porte sur la photoréactivité de dithiényléthènes A (solution et film mince), molécules photochromiques permettant l’obtention d’un film présentant un effet opto-mécanique sous irradiation UV ou Visible. Son obtention est basée sur l’assemblage supramoléculaire réversible par liaisons hydrogènes quadripolaires entre A et des élastomères B, tous deux fonctionnalisés par les mêmes groupements UPy. La première étape de ce travail s’est concentrée sur la cinétique des assemblages supramoléculaires par DLS, RMN, AFM, et calculs DFT. Concernant l’auto-assemblage AAAA, une forte sensibilité aux conditions initiales et des particularités cinétiques (temps de latence, "overshoot") ont été interprétées en termes de nucléation et croissance 3D de nano-objets. Après ajout de B, ces effets disparaissent au profit d’un mélange qui s’homogénéise sur plusieurs heures. La deuxième étape, conduite par spectroscopie d’absorption nanoseconde/femtoseconde et calculs TDDFT, s’est focalisée sur les mécanismes de photocommutation de A sous différents environnements (oligomères, grands assemblages). Si, concernant les états S1, des temps caractéristiques de photoréversion (≈5 ps) et photocyclisation (≈150 fs) proches de ceux de la littérature ont été observés, deux états triplets ont pu être identifiés (conformère antiparallèle et parallèle) dont l’un est photoactif (Tau≈10 µs). Contrairement au processus de photoréversion qui est insensible aux changements de l’environnement, le processus de photocyclisation y est lui très sensible. Donc, il est très probable que l’interface forme ouverte-forme fermée au sein des films (A,B) soit l'une des clefs pour comprendre l’effet optomécanique. / This work concerns the photoreactivity of photochromic dithienylethenes A (in solution and thin film) able to form a film exhibiting an opto-mechanical effect under UV or Visible irradiation. The production of this film is based on the reversible supramolecular assembly by quadrupolar hydrogen bonds between A and elastomers B, both being functionalized by UPy groups.The first step of this work focused on the kinetics of supramolecular assemblies by DLS, NMR, AFM, and DFT calculation. Concerning the self-assembly AAAA, a strong sensitivity to initial conditions and a typical kinetics (overshoot) have been interpreted in terms of nucleation and 3D growth of nano-objects. After addition of B, these effects disappear in favor of a mixture which homogenizes within several hours. The second step, conducted by nanosecond / femtosecond absorption spectroscopy and TDDFT calculations, focused on the photocommutation mechanisms of A in different environments (oligomer, large assembly). Considering the S1 states, the characteristic times of photoreversion (≈5 ps) and photocyclization (≈150 fs) processes appear to agree with literature data: Two triplet states have been identified (antiparallel and parallel conformers), one of which is photoactive (Tau≈10 μs). Compared to the photoreversion process which is insensitive to changes in the environment, the photocyclisation process appears to be very sensitive. These, the interface between the open and closed forms within the films (A, B) is probably one of the keys to understand the optomechanical effect.

La détection précoce de biomarqueurs de maladies telles que le cancer représente un intérêt majeur dans le processus de traitement. En effet, un diagnostic avancé augmente considérablement les chances de réussite du traitement. En pratique, cela nécessite des outils permettant de détecter rapidement d'infimes quantités de composants biologiques (anticorps, protéines, ADN...) au sein d'échantillons réels tels que du sang ou du sérum.Ces dernières années, les avancées et progrès technologiques en matière de micro et nanofabrication ont permis le développement des Micro et Nano Systèmes Electro-Mécaniques (M/NEMS) dans de nombreux domaines d'application et notamment celui de la détection de masse. Ainsi, des nano-capteurs de masse atteignant des résolutions de l'ordre du yoctogram ($10^{-24}g$), soit la masse d'un seul proton ont été développés. De telles résolutions permettraient d'utiliser ces capteurs à des fins de biodétection. Ces résultats ont cependant été obtenus sous vide ce qui est incompatible avec le monde biologique. Immergés en liquide, les performances des M/NEMS traditionnels sont drastiquement réduites notamment à cause de l'amortissement du au fluide. Un nouveau type de résonateur à base de microdisques optomécaniques résonants a ainsi vu le jour démontrant un fort potentiel pour la détection en milieu liquide. Là où les méthodes classiques de transduction électriques des M/NEMS éprouvent des difficultés en liquide, l'exceptionnelle sensibilité de la transduction optomécanique permet de surmonter ce problème.Dans ce cadre, ces travaux de thèse visent à développer un biocapteur à base de microdisques optomécaniques résonants en silicium pour la détection biologique en milieu liquide. Le design, la fabrication ainsi que la caractérisation complète de ces capteurs est décrite. Enfin, une preuve de concept de détection de virus T5 à une concentration de quelques pM à l'aide de ces microdisques est également présentée. / Early detection of disease's biomarkers such as cancer represents a major interest in the treatment process. Indeed, a diagnosis at an early stage considerably increases the chance of the treatment to be successful. Practically, tools allowing the rapid detection of tiny amount of biological compounds (antibodies, proteins, DNA...) in real samples such as blood or serum are needed.Over the last years, the advances and progresses of micro and nanofabrication techniques have allowed the development of Micro-Nano Electro Mechanical Systems (M/NEMS) in various fields of application including mass sensing. Thus, nano mass sensors reaching resolution down to the yoctogram level, the equivalent of a single proton have been demonstrated. Such resolution limit would theoretically allow these sensors to be used as potential biosensors. These results were nonetheless obtained in vacuum conditions which is incompatible with the biological world. Immersed in fluid, the performance of traditional M/NEMS are drastically degraded mostly due to the large viscous damping. A new type of object in the form of optomechanical microdisk resonators have recently emerged, demonstrating a huge potential for sensing in liquid. While M/NEMS classical electrical or optical transduction methods become very challenging in liquid, the astonishing sensitivity of the optomechanical transduction overcomes this major issue.In this context, this thesis work aims at developing a biosensor based on silicon optomechanical microdisk resonators for biosensing in liquid. Design, fabrication along with the complete characterization of theses devices is described. Eventually, a proof-of-concept of T5 virus detection at the pM level using these microdisks is presented.

Les systèmes optomécaniques, dans lesquels les vibrations d'un résonateur mécanique sont couplées à un rayonnement électromagnétique, ont permis l'examen de multiples nouveaux effets physiques. Afin d'exploiter pleinement ces phénomènes dans des circuits réalistes et d'obtenir différentes fonctionnalités sur une seule puce, l'intégration des résonateurs optomécaniques est obligatoire. Ici nous proposons une nouvelle approche pour la réalisation de systèmes intégrés et hétérogènes comportant des cavités à cristaux photoniques bidimensionnels au-dessus de guides d'ondes en silicium-sur-isolant. La réponse optomécanique de ces dispositifs est étudiée et atteste d'un couplage optomécanique impliquant à la fois les mécanismes dispersifs et dissipatifs. En contrôlant le couplage optique entre le guide d'onde intégré et le cristal photonique, nous avons pu varier et comprendre la contribution relative de ces couplages. Cette plateforme évolutive permet un contrôle sans précédent sur les mécanismes de couplage optomécanique, avec un avantage potentiel dans des expériences de refroidissement et pour le développement de circuits optomécaniques multi-éléments pour des applications tels que le traitement du signal par effets optomécaniques. / Optomechanical systems, in which the vibrations of a mechanical resonator are coupled to an electromagnetic radiation, have permitted the investigation of a wealth of novel physical effects. To fully exploit these phenomena in realistic circuits and to achieve different functionalities on a single chip, the integration of optomechanical resonators is mandatory. Here, we propose a novel approach to heterogeneously integrated arrays of two-dimensional photonic crystal defect cavities on top of silicon-on-insulator waveguides. The optomechanical response of these devices is investigated and evidences an optomechanical coupling involving both dispersive and dissipative mechanisms. By controlling optical coupling between the waveguide and the photonic crystal, we were able to vary and understand the relative strength of these couplings. This scalable platform allows for unprecedented control on the optomechanical coupling mechanisms, with a potential benefit in cooling experiments, and for the development of multi-element optomechanical circuits in the frame of optomechanically-driven signal-processing applications.

Le but de cette thèse est d'atteindre l'état de mouvement fondamental sur des disques optomécaniques en arseniure de gallium. La mécanique quantique prévoit en effet que la quantité d'énergie d'un système physique (mécanique ou autre) ne peut jamais être réduite totalement à zéro. Il existe cependant un état de plus basse énergie, que l'on appelle l'état fondamental. L'effet physique utilisé pendant cette thèse pour extraire de l'énergie du système (et ainsi atteindre l'état fondamental) est le couplage opto-mécanique. Les micro-disques supportent des résonances optiques à symétrie axiale appelées modes de galerie ainsi que des résonances mécaniques appelées modes de respiration. Le couplage entre ces deux modes peut être intuitivement compris comme suit: lorsque le disque "respire" mécaniquement, la circonférence du disque ressentie par le mode optique change, ce qui induit un décalage de sa longueur d'onde de résonance. A l'inverse, le mode optique exerce une pression de radiation sur les parois du disque, qui peut amplifier ou atténuer le mouvement mécanique. Le refroidissement opto-mécanique est d'autant plus efficace que les résonances (optique comme mécanique) ont de faibles taux de dissipation. Une grande partie de ce travail de thèse à donc été dédiée à la réduction de ces pertes. Des efforts technologiques ont permis d'obtenir des structures lisses et régulières, pour éviter la diffusion (et donc la dissipation) de lumière par rugosités. Afin de réduire la dissipation mécanique, une structure novatrice incluant des boucliers mécaniques à été développée, et à permis de réduire la dissipation mécanique d'un facteur 100. L'état du système après refroidissement opto-mécanique dépend par ailleurs de sa température initiale. Il est donc avantageux de placer l'échantillon dans un cryostat. L'appareil utilisé au cours de cette thèse permet de refroidir l'échantillon jusqu'à une température de 2,6 K. Les expériences de photonique en environnement cryogénique imposant des contraintes en terme de stabilité, il a été nécessaire de d'opter pour une approche avec guide d'onde intégré. Le développement de guides d'ondes entièrement suspendus a permis d'apporter et de collecter la lumière depuis le disque de manière optimale. Toutes ces efforts ont permis de descendre à un taux d'occupation mécanique de 30 quanta. Cependant de nombreuses améliorations peuvent encore être implémentées, afin d'ancrer ces résonateurs fermement dans l'état fondamental, ce qui permettrait d'effectuer par exemple des expériences d'intrication quantique / The main goal of this PhD work has been to reach the quantum ground state on gallium arsenide optomechanical disks. Quantum mechanics predict that the amount of energy within a given system cannot be brought to zero. Nevertheless a state of minimal energy exists, called the ground state. The physical mechanism used to extract energy from the system (and thus reach the ground state) is the optomechanical coupling. The miniature disks support optical and mechanical resonances, respectively called whispering gallery modes and radial breathing modes. The coupling between these two modes can be intuited as follows: when the disk breathes mechanically, its perimeter increases. The optical mode evolves now in a wider cavity, and its resonance wavelength therefore changes. Conversely, the optical mode exerts radiation pressure on the disk boundaries, which can either amplify or damp the mechanical motion. Optomechanical cooling is more efficient if the dissipation rates of the optical and mechanical resonances are low. An important part of this PhD work has therefore been dedicated to the reduction of dissipation. Technological efforts have been made to fabricate smooth and regular structures, so as to limit optical scattering. A novel approach consisting of a mechanical shield has allowed to reduce mechanical damping by a factor of 100. The system state after optomechanical cooling depends on its initial temperature. It is therefore advantageous to place the system in cryogenic environment prior to starting the optomechanical cooling. The apparatus used throughout this PhD work can cool the optomechanical device down to 2.6 K. As optical experiments in cryogenic environment require a good mechanical stability, it is necessary to opt for fully integrated devices where the optomechanical resonator and the waveguide bringing the light to it are processed on the same chip. The development of fully suspended waveguides has moreover allowed to inject and collect light from the device more efficiently. All these improvements have allowed to reach a state of 30 excitation quanta in the mechanical resonator. However many ideas can still be tried to keep enhancing the devices, so as to anchor them more firmly in the ground state. This would open the way to more advanced experiments, such as entanglement of mechanical oscillators

Le but de la Nano- Opto- Mécanique et Electronic à base de graphène est d'utiliser des membranes de graphène en suspension comme blocs de construction pour aborder le couplage entre l'optique, la mécanique et l'électronique dans ce nouveau matériau. Avec un module d'Young similaire à celui du diamant (1 TPA), le graphène est une membrane extrêmement rigide, légère et mince (epaaisseur de seulement un atome) qui peut supporter son propre poids sans effondrement ou la rupture lorsqu'il est suspendu. Ces membranes, intégrées dans des dispositifs mécaniques, peuvent être actionnés à partir de DC jusqu'à des fréquences de vibration mécaniques très élevées (GHz). En outre, le graphène est un gaz d'électrons 2D exposé pour lequel une porte électrostatique tunes considérablement la densité de porteurs de charge et ses propriétés optiques. Last but not least, il offre une architecture unique pour effectuer la fonctionnalisation physico-chimiques et obtenir des matériaux hybrides combinant les propriétés particulières des espèces chimisorbées avec ceux du graphène. / The aim of the Graphene Nano- Opto- Mechanics and Electronics is to use suspended graphene membranes as building blocks to address the coupling of optics, mechanics and electronics in this novel material. With a Young modulus similar to that of diamond (1 TPa), graphene is an extremely stiff, light and atomically thin membrane that can withstand its own weight without collapsing or breaking when suspended. Such membranes, integrated as mechanical devices, can be actuated from DC up to very high mechanical vibration frequencies (GHz). Moreover, graphene is an exposed 2D electron gas for which an electrostatic gate dramatically tunes the charge carrier density and its optical properties. Last but not least, it provides a unique architecture to perform physico-chemical functionalization and obtain hybrid materials combining the peculiar properties of adsorbed and chemisorbed species with the graphene ones.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'opto-mécanique et propose l'utilisation de différentes techniques de mesure et de manipulation des propriétés mécaniques de nano-structures.La première partie de ce travail est dédiée aux fils photoniques. Ces objets sont des structures en GaAs en forme de cône inversé, avec une longueur d’une dizaine de µm et un diamètre inférieur au µm, contenant une couche de boîtes quantiques à l'intérieur. Nous avons démontré une méthode de réglage statique du spectre de photoluminescence de ces boîtes quantiques sensibles à la contrainte, en utilisant des nano-manipulateurs pour contraindre mécaniquement les fils. De plus, grâce à la dépendance spatiale du décalage spectral, il est possible d’établir une carte de la position des boîtes quantiques.La deuxième partie de ce travail concerne la mise en mouvement de ces fils photoniques à l’aide d’un faisceau laser modulé à la fréquence de résonance mécanique. Les mécanismes physiques à l’origine de ces effets sont présentés et discutés.Dans la troisième partie, nous présentons une méthode permettant l’observation d'oscillations mécaniques de nano-fils fins (moins de 50 nm de diamètre) en utilisant un microscope électronique à balayage. Cette méthode originale offre la possibilité de contrôler de nombreux types de structures micro et nano-électromécaniques, dont la détection du mouvement n’est pas possible optiquement en raison de la limite de diffraction de la lumière. De plus, cette méthode permet également d'agir sur les propriétés mécaniques des structures via une force de contre-réaction qui devient non négligeable pour ces structures très légères. Cela ouvre la possibilité d'études fondamentales complémentaires liées au refroidissement du mouvement mécanique. / This thesis is related to the field of opto-mechanics and the use of different techniques for the measurement and manipulation of mechanical properties of nano-structures.First part of the work is dedicated to the photonic wires. These objects are GaAs structures with an inverted conical shape of length of the order of 10 µm and diameter of less than 1 µm, containing a layer of InAs quantum dots inside. Wide-range static stress-tuning of quantum dots photoluminescence spectrum was demonstrated using nano-manipulators to bend the wires. Additionally, owing to the spatial dependence of the spectral shift, this technique offers the possibility of QD positions mapping.The second part of this work concerns the optical actuation of these photonic wires. A laser beam focused on the wire and modulated at the mechanical resonance frequency can set the wire in motion. The physical mechanisms responsible for these effects are presented and discussed.In the third part is presented a method enabling the detection of mechanical oscillations of small (less than 50 nm in diameter) nanowires with the use of a Scanning Electron Microscope. This original method offers a possibility to detect the motion of many types of micro- and nano-electromechanical devices which are too small to be detected optically owing to light diffraction limit.Moreover, this method also affects the mechanical properties of the structures via a back-action force that becomes non-negligible for such small devices. It opens up the possibility for further fundamental studies related to cooling of the mechanical motion.

La thermodynamique a été développée au XIXe siècle pour décrire la physique des moteurs et autres machines thermiques macroscopiques. Depuis lors, le progrès des nanotechnologies a rendu nécessaire d'étendre ces lois, initialement pensées pour des systèmes classiques, aux systèmes obéissant à la mécanique quantique. Durant cette thèse, j'ai mis en place un formalisme pour étudier la thermodynamique stochastique des systèmes quantiques, dans lequel la mesure quantique occupe une place centrale: à l'instar du bain thermique de la thermodynamique statistique classique, la mesure est ici la source première d'aléatoire dans la dynamique. Dans un premier temps, j'ai étudié la mesure projective comme une transformation thermodynamique à part entière. J'ai montré que la mesure cause un changement incontrôlé de l'énergie du système quantique étudié, que j'ai appelé chaleur quantique, ainsi qu'une production d'entropie. Comme application de ces concepts, j'ai proposé un moteur qui extrait du travail à partir des fluctuations quantiques induites par la mesure. Ensuite, j'ai étudié les mesures généralisées, ce qui a permis de décrire des systèmes quantiques ouverts. J'ai défini les notions de travail, de chaleur, et de production d'entropie pour une réalisation unique d'une transformation thermodynamique, et retrouvé que ces quantités obéissent à des théorèmes de fluctuation. Ce formalisme m'a permis d'analyser le comportement thermodynamique de la situation canonique de l'optique quantique : un atome à deux niveaux en couplé à un laser et au vide électromagnétique. Enfin, j'ai étudié une plate-forme prometteuse pour tester la thermodynamique d'un Qubit : un système hybride optomécanique.Le formalisme développé dans cette thèse peut être d'un grand intérêt pour la communauté de thermodynamique quantique car il permet de caractériser les performances des machines thermiques quantiques et de les comparer à leurs analogues classiques. En outre, en caractérisant la mesure quantique comme un processus thermodynamique, il ouvre la voie à de nouveaux types de machines thermiques, exploitant d'une manière inédite les spécificités du monde quantique. / Thermodynamics was developed in the XIXth century to provide a physical description to engines and other macroscopic thermal machines. Since then, progress in nanotechnologies urged to extend these formalism, initially designed for classical systems, to the quantum world. During this thesis, I have built a formalism to study the stochastic thermodynamics of quantum systems, in which quantum measurement plays a central role : like the thermal reservoir of standard stochastic thermodynamics, it is the primary source of randomness in the system's dynamics. I first studied projective measurement as a thermodynamic process. I evidenced that measurement is responsible for an uncontroled variation of the system's energy that I called quantum heat, and also a production of entropy. As a proof of concept, I proposed an engine extracting work from the measurement-induced quantum fluctuations. Then, I extended this formalism to generalized measurements, which allowed to describe open quantum systems (i.e. in contact with reservoirs). I defined work, heat and entropy production for single realizations of thermodynamic protocols, and retrieved that these quantities obey fluctuation theorems. I applied this formalism to the canonical situation of quantum optics, i.e. a Qubit coupled to a laser and a the vacuum. Finally, I studied a promising platform to test Qubit's thermodynamics: a hybrid optomechanical system.The formalism developed in this thesis could be of interest for the quantum thermodynamics community as it enables to characterize quantum heat engines and compare their performances to their classical analogs. Furthermore, as it sets quantum measurement as a thermodynamic process, it pave the ways to a new kind of thermodynamic machines, exploiting the specificities of quantum realm in an unprecedented way.

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de la nano-optomécanique et de l'emploi de nanorésonateurs mécaniques comme sonde de force ultrasensible pour étudier leur interaction avec la lumière. Pour cela, un nanofil de carbure de silicium est positionné dans un faisceau laser fortement focalisé. Cela permet, en mesurant les fluctuations de l'intensité transmise, d'observer avec grande dynamique et une sensibilité proche de la limite quantique standard le mouvement Brownien du nanorésonateur. La grande sensibilité en force des nanofils, inhérente à leur très faible masse, permet d'étudier l'action en retour de la mesure, c'est-à-dire la force exercée par le laser focalisé sur le nanofil. L'exploitation de la légère levée de dégénérescence observée entre les deux polarisations mécaniques transverses permet de réaliser une cartographie vectorielle bidimensionnelle du champ de force optique, avec une sonde de diamètre sub-longueur d'onde. Cette mesure permet également de mettre en évidence le caractère non-conservatif de l'interaction lumière-matière, dont la signature emblématique est l'existence de vorticité dans le champ de force mesuré. Ce dernier présente de très fortes variations spatiales, qui modifient profondément la dynamique du nanofil. Cette action en retour de la mesure est responsable d'un fort couplage entre les deux polarisations mécaniques du mode fondamental du nanofil. Le caractère bidimensionnel du couplage ainsi que la topologie non-conservative du champ de force conduisent à une bifurcation et à une instabilité dynamique du nanofil. Cette nouvelle instabilité optomécanique est observée avec des forces optiques instantanées, qui suivent instantanément les variations d'intensités vues par le nanofil. En présence d'absorption, le cas plus général d'un champ de force partiellement retardé par les constantes de temps thermiques est également étudié, conduisant à un refroidissement, spécifique et accordable en position, des deux polarisations mécaniques. Enfin l'interaction lumière-matière entre le laser et le nanofil et la grande variété des propriétés optomécaniques accessibles à cette approche sont développés. Ces développements démontrent la possibilité d'observer et de contrôler optiquement des nanorésonateurs mécaniques de très grande sensibilité, proche de l'attonewton, pour des mesures vectorielles ultrasensibles de champ de force. / This thesis is related to the field of nano-optomechanics and the use of nanomechanical resonators as ultrasensitive force sensor to study their interaction with light. A silicon carbide nanowire is positioned in a tightly focused laser beam. This enables, by measuring the transmitted intensity fluctuations, to observe with great dynamics and with a sensitivity close to the standard quantum limit the Brownian motion of the nanoresonator. The huge force sensitivity of the nanowires, due to their ultra low mass, permits to study the measurement backaction, which is induced by the force exerted on the nanowire by the focused laser beam. The exploitation of the slight degeneracy observed between the two transverse mechanical polarizations enables to realize a vectorial bidimensional cartography of the optical force field, with a probe of sub-wavelength diameter. This measurement highlights the non-conservative feature of the light-matter interaction, a symbolic signature being the existence of vorticity in the measured force field. The latter shows strong spatial variations, which modify deeply the nanowire dynamics. This measurement backaction is responsible of a strong coupling between the two mechanical polarizations of the nanowire fundamental mode. The bidimensional feature of the coupling and the force field non-conservative topology lead to a bifurcation and to a dynamical instability of the nanowire. This new optomechanical instability is observed with instantaneous optical forces, which follows instantaneously the intensity variations seen by the nanowire. In presence of absorption, a more general case of a force field partially delayed by the thermal time constants is studied, leading to a cooling, specific and tunable with the position, of the two mechanical polarizations. Then, the light-matter interaction between a laser and the nanowire and the great variety of optomechanical properties accessible with this approach are developed. These developments demonstrate the ability to observe and control optically nanomechanical resonators with a huge sensitivity, close to the attonewton, for ultrasensitive measurements of vectorial force fields.

Ce travail s'attaque à la mise en évidence expérimentale d'effets quantiques dans le mouvement d'un résonateur mécanique macroscopique avec une masse effective de 33 microgrammes, soit 3 ordres de grandeur au-dessus de celle du système mécanique le plus massif observé à ce jour dans son état quantique fondamental. Nous avons conçu, fabriqué et fait fonctionner un résonateur optomécanique à 3,6 MHz avec une finesse optique de 100.000 et un facteur de qualité mécanique proche de 100 millions, inséré dans l'environnement à 100 mK d'un réfrigérateur à dilution. Nous présentons un montage optique complètement automatisé incluant une cavité de filtrage, une détection homodyne et plusieurs asservissements, implémentés dans un FPGA avec le programme PyRPL développé spécifiquement pour cette expérience. Nous avons refroidi par laser le mode de compression de notre résonateur mécanique jusqu'à un nombre moyen d'occupation thermique de 20 phonons. Le refroidissement est limité par l'apparition d'une instabilité optomécanique de plusieurs modes des suspensions, au-dessous de 100 kHz. Un filtre digital particulier pour supprimer cette instabilité nous a permis d'atteindre le régime où l'action en retour quantique contribue à hauteur d'environ 30 % au bruit de force total de l'oscillateur mécanique. Pour atteindre des contributions encore plus importantes à l'avenir, nous présentons la conception d'un miroir d'entrée à cristal phononique, caractérisé par un plancher de bruit de mouvement Brownien réduit. / In this work, we attempt the experimental demonstration of quantum effects in the motion of a macroscopic mechanical resonator with a mass of 33 micrograms, about 3 orders of magnitude above the mass of the heaviest system demonstrated so far in the quantum ground state. We have designed, fabricated, and operated an optomechanical resonator at 3.6 MHz, with an optical finesse of 100,000 and a mechanical quality factor near 100 million, embedded in the 100 mK environment of a dilution refrigerator. We present a fully automatized optical measurement setup, including a filter cavity, a homodyne detector, and various feedback controllers implemented in an FPGA with the custom-developed software PyRPL. We have laser-cooled the compression mode of our mechanical resonator to a mean thermal occupation number of 20 phonons. Cooling is limited by the onset of an optomechanical instability of suspension modes with frequencies below 100 kHz. A custom-tailored digital filter to suppress this instability has enabled us to reach a regime where quantum backaction amounts to about 30 % of the total force noise on the mechanical resonator. For even higher ratios in the future, we present the design of a phononic-crystal input mirror with a reduced Brownian motion displacement noise floor.

Dans ce manuscrit, nous présentons le développement d'un résonateur optimisé pour observer des effets quantiques du couplage entre un resonateur mécanique et le champ electromagnétique via la pression de radiation. Celui-ci doit combiner une réflectivité élevée, une faible masse, ainsi qu'un facteur de qualité mécanique élevé. Le résonateur consiste en une membrane suspendue de quelques centaines de nanomètres d’épaisseur, et de quelques dizaines de microns de côté, présentant une réflectivité importante grâce à l'utilisation de cristaux photoniques. Après une étude détaillée de la physique d'un cristal photonique en incidence normale, nous présentons les résultats expérimentaux, en bon accord avec des simulations optiques, notamment lorsque la membrane est utilisée comme miroir de fond d’une cavité Fabry-Perot. Dans un second point, nous passons en revue les mécanismes d'amortissement mécanique à l’œuvre dans les micro-résonateurs. Nous montrons ensuite comment l'introduction de contraintes peut améliorer leur facteur de qualité. Nous finissons la caractérisation mécanique par l'étude de non-linéarités apparaissant lors des grandes amplitudes de mouvement. Puis nous présentons le montage expérimental permettant l'observation du bruit thermique de ces resonateurs. Celui-ci a également permis d'obtenir des résultats préliminaires sur le refroidissement de leur bruit thermique par friction froide et par effet photothermique. Enfin, nous présentons le développement d’un système de couplage capacitif entre la membrane et un circuit électrique, constituant la première étape de la réalisation d’un transducteur optomécanique entre photons optiques et micro-ondes. / The field of optomechanic consists in studying the coupling induce by the radiation pressure between a mechanical resonator and a light field, it has expended over the last fifteen years. In this memoir we present the developpement of a resonator optimised to observe quantum effect of the optomechanical coupling. On the one hand, it has to combine a high reflectivity and a low mass to enhance its coupling with the light field. On the other hand it should exhibit high mechanical quality factor in order to minimize its interaction with the environment. This resonator is a suspended membrane, whose thickness is about hundreds of nanometers, and whose reflectivity is achieved thanks to a photonic crystal. After a study of the photonic crystal physic in normal incidence, we present the experimental results including those in the end mirror of a Fabry-Pérot cavity configuration, which are in good agreement with the optical simulations. In a second point, we list the dissipation mechanisms in micro-resonator. Then we show how the stress introduction in such resonators can improve the quality factor. We finish the mechanical characterisation by studying mechanical non-linearities which appears in the case of large amplitude of motion. Then we present the experimental set-up developed to observe the thermal noise of the resonators. We also obtain some preliminary results about the cooling of the thermal noise using active cooling and photothermal effect. Last we present the development of a capacitive coupling between the membrane and a electrical circuit. This device is the first step toward the realisation of an optomechanical transducer between optical and micro-wave photons.