Dynamics of coupled multimode and hybrid optomechanical systems

Recent experimental developments have brought into focus optomechanical systems containing multiple optical and mechanical modes interacting with each other. Examples include a setup with a movable membrane between two end-mirrors and “optomechanical crystal” devices that support localized optical and mechanical modes in a photonic crystal type structure. We discuss how mechanical driving of such structures results in coherent photon transfer between optical modes, and how the physics of Landau–Zener–Stueckelberg oscillations arises in this context. Another area where multiple modes are involved are hybrid systems. There, we review the recent proposal of a single atom whose mechanical motion is coupled to a membrane via the light field. This is a special case of the general principle of cavity-mediated mechanical coupling. Such a setup would allow the well-developed tools of atomic physics to be employed to access the quantum state of the ‘macroscopic’ mechanical mode of the membrane.

RésuméDes développements expérimentaux récents ont permis de réaliser des systèmes optomécaniques avec plusieurs modes optiques et mécaniques en interaction. Parmi ceux-ci, on trouve par exemple les membranes mobiles placées dans des cavités optiques, et les « cristaux optomécaniques » basés sur des structures à cristaux photoniques dans lesquels les modes optiques et mécaniques sont spatialement confinés. Nous montrons comment lʼapplication dʼune force mécanique périodique conduit à un transfert cohérent de photons entre modes optiques, induisant des interférences « Landau–Zener–Stückelberg ». Les systèmes quantiques hybrides constituent un autre domaine où lʼinteraction entre plusieurs modes est importante. Nous décrivons la proposition récente où un atome unique interagit avec une membrane par lʼintermédiaire de la lumière dans une cavité optique. Un tel système permettrait dʼutiliser les outils bien maitrisés de la physique atomique pour manipuler lʼétat quantique du mouvement de la membrane.