Optomécanique des micro-ondes à basse température : bruit de force anormal et transparence induite par l'optomécanique

Low temperature microwave optomechanics : anomalous force noise and optomechanically induced transparency

• Auteur / Autrice : Sumit Kumar
• Direction : Eddy Collin, Andrew Fefferman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique de la matière condensée et du rayonnement
• Date : Soutenance le 13/09/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alessandro Monfardini
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrian Bachtold, Nicolas Roch, Laurent Saminadayar
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Andrew Armour, Gary Steele

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micro-ondes

Optomécanique

Mots clés libres

Tunneling system de deux niveaux

Nanomécanique

Optomécanique de la cavité

Tunneling two level system

Nanomechanics

Cavity optomechanics

Résumé

La plupart de la matière terrestre est constituée de matériaux vitreux ou amorphes. Les propriétés à basse température de ces matériaux, notamment en dessous de 1 kelvin, sont intrigantes. Par exemple, la friction interne des matériaux amorphes ne montre aucune dépendance à la température en dessous de 1 kelvin et à des températures plus basses, elle chute avec une dépendance cubique de T. À quelques exceptions près, le frottement interne (dans le régime où il ne dépend pas de T) de presque tous les matériaux amorphes mesurés à ce jour présente également une similitude quantitative d'un facteur 20. Le frottement interne, ainsi que d'autres propriétés à basse température comme la conductivité thermique, les changements de la vitesse relative du son, etc. peuvent être expliqués dans le cadre du modèle TTLS développé indépendamment. peuvent être expliquées dans le cadre du modèle TTLS développé indépendamment par Philips [1] et Anderson et al [2]. Cependant, de nombreux résultats expérimentaux montrent des écarts par rapport aux prédictions du modèle TTLS. La nature microscopique des TLS individuels reste également insaisissable pour nous. Les NEMS (systèmes nano-électromécaniques) sont les entités pertinentes pour tester plus avant la validité du modèle TTLS. entités pertinentes pour tester davantage la validité du modèle TTLS suggéré par Leggett et al. [3].Cette thèse porte sur la mesure de la position d'un nanofaisceau doublement clampé couplé à une cavité hyperfréquence supraconductrice en utilisant les principes de l'optomécanique de cavité. La mesure du mouvement thermique de la nanofaisceau en dessous de T < 200 mK est entachée par le bruit de force anormal vu dans la puissance de sortie de la cavité, qui n'est pas un bruit de fond. La mesure du mouvement thermique du nanofaisceau en dessous de T < 200 mK est entachée par le bruit de force anormal observé dans la puissance de sortie de la cavité qui n'est pas cohérent avec la théorie optomécanique, où T est la température de l'échantillon. Nous présenterons une analyse détaillée des statistiques du bruit de force anormal appelé "pics" et tenterons d'en donner une raison plausible. De nombreux amplificateurs et filtres coupe-bande peuvent être fabriqués à partir de systèmes optomécaniques. Ils reposent sur la transparence (OMIT) et l'absorption (OMIA) induites par l'optomécanique. Nous examinerons nos résultats sur l'OMIT et l'OMIA en couvrant un espace de paramètres plus large que celui qui a été exploré dans les travaux précédents. Nous parlerons également de la technique à double puce développée dans notre laboratoire pour mesurer les caractéristiques mécaniques des nanopoutres en nitrure de silicium nu.nitrure de silicium nu. Cela nous permettra de vérifier si la fine couche de métal sur notre nanopoutre est responsable des pics dans nos mesures précédentes. En outre, la mesure de la nanopoutre en nitrure de silicium nu nous fournira des statistiques pour tester les prédictions du modèle TTLS.[1] William A Phillips. Tunneling states in amorphous solids. Journal of low temperature physics, 7(3):351–360, 1972.[2] P W Anderson, Bertrand I Halperin, and C M Varma. Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spinglasses. Philosophical Magazine, 25(1):1–9, 1972.[3] Anthony J Leggett and Dervis C Vural. “tunneling two-level systems” model of the low-temperature properties of glasses:Are “smoking-gun” tests possible? The Journal of Physical Chemistry B, 117(42):12966–12971, 2013.

Most of the terrestrial matter is made of glassy or amorphous materials. The low-temperature properties of these materials, particularly below 1 kelvin, are intriguing. For instance, the internal friction of the amorphous materials does not show any dependence on temperature below 1 kelvin and at lower temperatures drops off with cubic dependence on T. With few exceptions, the internal friction ( in the regime where it does not depend on T ) of almost all amorphous materials measured to date also shows quantitative similarity within a factor of 20. The internal friction, along with other low-temperature properties like thermal conductivity, changes in the relative speed of sound etc. can be explained in theframework of the TTLS model developed independently by Philips [1] and Anderson et al. [2] . However, many experimental findings show deviations from the predictions of the TTLS model. The microscopic nature of individual TLS also remains elusive to us. NEMS (nano- electromechanical systems) are the relevantentities to test further the validity of the TTLS model suggested by Leggett et al.[3]This thesis concerns with the measurement of the position of the doubly clamped nanobeam coupled to superconducting microwave cavity using the principles of cavity optomechanics. The measurement of thermal motion of the nanobeam below T < 200 mK is marred by the anomalous force noise seen in theoutput power from the cavity which is not consistent with the optomechanical theory, where T is the temperature of the sample. We will show a detailed analysis of the statistics of the anomalous force noise called “spikes” and will try to give a plausible reason for the same. Further many amplifiers and notch filters can be made from optomechanical systems. They rely on optomechanically induced transparency (OMIT) and absorption (OMIA). We will investigate our results on OMIT and OMIA covering a large parameter space than has been explored in previous works. We will also talk about the dual-chip technique developed in our lab to measure the mechanical characteristics of nanobeams made of baresilicon nitride. This will allow us to probe whether the thin layer of metal on our nanobeam is responsible for spikes in our previous measurements. Also measuring the nanobeam made of bare silicon nitride will give us statistics to test the predictions of the TTLS model.[1] William A Phillips. Tunneling states in amorphous solids. Journal of low temperature physics, 7(3):351–360, 1972.[2] P W Anderson, Bertrand I Halperin, and C M Varma. Anomalous low-temperature thermal properties of glasses and spinglasses. Philosophical Magazine, 25(1):1–9, 1972.[3] Anthony J Leggett and Dervis C Vural. “tunneling two-level systems” model of the low-temperature properties of glasses:Are “smoking-gun” tests possible? The Journal of Physical Chemistry B, 117(42):12966–12971, 2013.