Optimisation de membranes en nitrure de silicium pour des circuits mécaniques-supraconducteurs hybrides

Optimization of silicon nitride membranes for hybrid superconducting-mechanical circuits

• Auteur / Autrice : Edouard Ivanov
• Direction : Antoine Heidmann
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 22/02/2021
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Kastler Brossel (Paris ; 1998-....)
• Jury : Président / Présidente : Emily Lamour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jeremie Viennot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gary Steele, Jack G.E. Harris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs

Nitrure de silicium

Cavités résonnantes (microondes)

Optomécanique

Mots clés libres

Electromécanique

Nitrure de silicium

Mems

Cryogénie

Refroidissement électromécanique

Etat fondamental

Etat non-Classique

Etat non-Gaussien

Mécanique

Optimisation spectrale

Crystal phononique

Décohérence

Interférométrie

Electromechanics

Silicon nitride

Mems

Cryogenics

Electromechanical cooling

Ground state

Non-Classical state

Non-Gaussian state

Mechanics

Spectral engineering

Phononic crystal

Decoherence

Interferometry

Résumé

Dans cette thèse, nous étudions un résonateur mécanique optimisé qui est couplé à une cavité micro-ondes. Au cours d'une expérience préliminaire, des photons micro-ondes sont employés comme bain froid pour réduire la température de l'oscillateur mécanique d'un facteur 500. Nous introduisons plusieurs améliorations à ces membranes dans l’optique de les refroidir jusqu’à leur état quantique fondamental. En particulier, nous explorons la physique riche des bandgaps phononiques pour isoler un mode de facteur de qualité ultra-élevé de ses canaux de décohérence, une méthode connue sous le nom de ``soft-clamping''. Avec un interféromètre limité quantiquement et capable de résoudre le mouvement Brownien des membranes, nous reconstruisons le profil des modes de la membrane. Grâce à cette expérience, nous identifions un groupe de modes parasitiques qui dégradent fortement le facteur de qualité des modes "soft-clamped''. Des stratégies d'optimisation du profil spectral sont donc implémentées pour assurer la performance optimale des membranes "soft-clamped''. Une fois intégrées dans une cavité électromécanique, les membranes optimisées qui ont été développées au cours de cette thèse devraient opérer profondément dans le régime quantique. Nous discutons des perspectives pour préparer des états de mouvement non-classiques qui exploitent la nonlinéarité des qubits supraconducteurs. Nous proposons en particulier une méthode pour réussir cela en utilisant un détecteur de photons micro-ondes uniques, qui a été développé en collaboration avec le LPENS. Un tel système électromécanique hybride pourrait être utilisé pour stocker des état quantiques fragiles à l'échelles des secondes, pour mesurer avec une précision sans précédent des forces infimes, ou encore pour sonder la frontière entre les mondes classiques et quantiques.

In this thesis, we study an engineered mechanical oscillator coupled to a microwave cavity. In a preliminary experiment, microwave photons were used as a cold bath to reduce the temperature of the mechanical oscillator by a factor 500. We present several improvements to the membranes which should enable us to cool them down to their quantum ground state. In particular, we explore the rich physics of phononic bangaps to isolate an ultrahigh-quality-factor membrane mode from decoherence channels, a technique known as ``soft-clamping''. Using a quantum-limited interferometer able to resolve the membrane's Brownian motion, we reconstruct the profiles of the membrane modes. Thanks to this setup we identify a set of parasitic membrane modes which significantly degrade the quality factor of the soft-clamped modes. Specific mode engineering strategies are therefore implemented to ensure the optimal performance of the softly-clamped membranes. Once integrated in an electromechanical cavity, the optimized membranes developed over the course of this thesis should operate deep in the quantum regime. We discuss the perspectives of preparing nonclassical states of motion by exploiting superconducting qubits as a nonlinear resource. In particular, we propose a scheme which could achieve this using a single microwave-photon detector, developed in collaboration with LPENS. This hybrid electromechanical system could be used to store fragile quantum states on the scale of seconds, to measure minute forces with unprecedented precision, or to study the boundary between the quantum and the classical worlds.