Recent experimental progress in table-top experiments or gravitational-wave interferometers has enlightened the unique displacement sensitivity offered by optical interferometry. As the mirrors move in response to radiation pressure, higher power operation, though crucial for further sensitivity enhancement, will however increase quantum effects of radiation pressure, or even jeopardize the stable operation of the detuned cavities proposed for next-generation interferometers. The appearance of such optomechanical instabilities is the result of the nonlinear interplay between the motion of the mirrors and the optical field dynamics. In a detuned cavity indeed, the displacements of the mirror are coupled to intensity fluctuations, which modifies the effective dynamics of the mirror. Such "optical spring" effects have already been demonstrated on the mechanical damping of an electromagnetic waveguide with a moving wall, on the resonance frequency of a specially designed flexure oscillator, and through the optomechanical instability of a silica micro-toroidal resonator. We present here an experiment where a micro-mechanical resonator is used as a mirror in a very high-finesse optical cavity and its displacements monitored with an unprecedented sensitivity. By detuning the cavity, we have observed a drastic cooling of the micro-resonator by intracavity radiation pressure, down to an effective temperature of 10 K. We have also obtained an efficient heating for an opposite detuning, up to the observation of a radiation-pressure induced instability of the resonator. Further experimental progress and cryogenic operation may lead to the experimental observation of the quantum ground state of a mechanical resonator, either by passive or active cooling techniques.

We describe an experiment in which a mirror is cooled by the radiation pressure of light. A high-finesse optical cavity with a mirror coated on a mechanical resonator is used as an optomechanical sensor of the Brownian motion of the mirror. A feedback mechanism controls this motion via the radiation pressure of a laser beam reflected on the mirror. We have observed either a cooling or a heating of the mirror, depending on the gain of the feedback loop.

Current interferometric gravitational-wave detectors are limited by quantum noise over a wide range of their measurement bandwidth. One method to overcome the quantum limit is the injection of squeezed vacuum states of light into the interferometer’s dark port. Here, we report on the successful application of this quantum technology to improve the shot noise limited sensitivity of the Advanced Virgo gravitational-wave detector. A sensitivity enhancement of up to 3.2±0.1 dB beyond the shot noise limit is achieved. This nonclassical improvement corresponds to a 5%–8% increase of the binary neutron star horizon. The squeezing injection was fully automated and over the first 5 months of the third joint LIGO-Virgo observation run O3 squeezing was applied for more than 99% of the science time. During this period several gravitational-wave candidates have been recorded.Received 11 November 2019DOI:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.231108Published by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI.Published by the American Physical SocietyPhysics Subject Headings (PhySH)Research AreasGravitational wavesNonlinear opticsQuantum opticsTechniquesGravitational wave detectionGravitation, Cosmology & AstrophysicsAtomic, Molecular & Optical

Abstract Gravitational lensing by massive objects along the line of sight to the source causes distortions to gravitational wave (GW) signals; such distortions may reveal information about fundamental physics, cosmology, and astrophysics. In this work, we have extended the search for lensing signatures to all binary black hole events from the third observing run of the LIGO-Virgo network. We search for repeated signals from strong lensing by (1) performing targeted searches for subthreshold signals, (2) calculating the degree of overlap among the intrinsic parameters and sky location of pairs of signals, (3) comparing the similarities of the spectrograms among pairs of signals, and (4) performing dual-signal Bayesian analysis that takes into account selection effects and astrophysical knowledge. We also search for distortions to the gravitational waveform caused by (1) frequency-independent phase shifts in strongly lensed images, and (2) frequency-dependent modulation of the amplitude and phase due to point masses. None of these searches yields significant evidence for lensing. Finally, we use the nondetection of GW lensing to constrain the lensing rate based on the latest merger-rate estimates and the fraction of dark matter composed of compact objects.