Sensitivité de la méthode dite de mélange des courants pour la détection du déplacement nano-mécanique

Sensitivity of the mixing-current technique in the detection of nano-mechanical displacement

• Auteur / Autrice : Yue Wang
• Direction : Fabio Pistolesi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, matière et nanosciences
• Date : Soutenance le 08/09/2017
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Alois Würger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mikhail Kiselev
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eddy Collin, Manuel Houzet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Nanotubes de carbone

Théorie du transport

BioMEMS

Mots clés libres

Systèmes nano-électromécaniques

Transport quantique

Bruit de curan

Détection

Nanotubes de carbone

Fluctuations

Nano-electromechanical systems

Quantum transport

Current noise

Sensing

Carbon nanotubes

Fluctuations

Résumé

La détection des déplacements nano-mécaniques par les techniques de transport électronique a atteint un haut niveau de sensibilité et de polyvalence. Afin de détecter l'amplitude d'oscillation d'un oscillateur nano-mécanique, une technique largement utilisée consiste à coupler ce mouvement de façon capacitive à un transistor à un seul électron ou, plus généralement, à un dispositif de transport, et à détecter la modulation haute fréquence du courant à travers le mélange non linéaire avec un signal électrique à une fréquence légèrement désaccordée. Cette méthode, connue sous le nom de technique de mélange des courants, est utilisée notamment pour la détection de nanotubes de carbone suspendus et s'est avérée particulièrement efficace, ce qui a permis d'obtenir des records de sensibilité dans la détection de masse et de force. Dans cette thèse nous étudions théoriquement les conditions qui limitent la sensibilité de cette méthode dans différents types de dispositifs de transport. La sensibilité est un compromis entre le bruit, le bruit de rétroaction et la fonction de réponse. Cette dernière est proportionnel au couplage électromécanique. Pour ces raisons dans la thèse, nous étudions la fonction de réponse, l'effet des fluctuations de courant et de déplacement (back-action) dans les dispositifs de détection suivants: (i) le transistor métallique à électron unique, (ii) le transistor à un seul niveau électronique et (iii) le point quantique cohérent. La sensibilité optimale est obtenue, comme d'habitude, lorsque la rétroaction du dispositif de détection est égale au bruit du signal intrinsèque, ce qui, dans notre cas, est le bruit en courant. Nous avons constaté que les valeurs optimales typiques du couplage sont obtenues dans la limite de couplage fort, où une forte renormalisation de la fréquence de résonance est observée et une bistabilité de l'oscillateur mécanique est présente [comme discuté dans G. Micchi, R. Avriller, F. Pistolesi, Phys. Rev. Lett. 115, 206802 (2015)]. Nous trouvons donc des limites supérieures à la sensibilité de la technique de détection de mélange des courants. Nous considérons également comment la technique du mélange des courants est modifiée dans la limite où le taux de transmission tunnel devient comparable à la fréquence de résonance de l'oscillateur mécanique

Detection of nanomechanical displacement by electronic transport techniques has reached a high level of sensitivity and versatility. In order to detect the amplitude of oscillation of a nanomechanical oscillator, a widely used technique consists of coupling this motion capacitively to a single-electron transistor or, more generally, to a transport device, and to detect the high-frequency modulation of the current through the nonlinear mixing with an electric signal at a slightly detuned frequency. This method, known as mixing-current technique, is employed in particular for the detection of suspended carbon nanotubes and has proven to be particularly successful leading to record sensitivities of mass and force detection. In this thesis we study theoretically the limiting conditions on the sensitivity of this method in different kind of transport devices. The sensitivity is a compromise between the noise, the back-action noise, and the response function. The latter is proportional to the electromechanical coupling. For these reasons in the thesis we study the response function, the effect of current and displacement (back-action) fluctuations for the following detection devices: (i) the metallic single electron transistor, (ii) the single-electronic level single electron transistor, and (iii) the coherent transport quantum dot. The optimal sensitivity is obtained, as usual, when the back-action of the detection device equals the intrinsic signal noise that, in our case, is the current noise. We found that the typical optimal values of the coupling are obtained in the strong coupling limit, where a strong renormalization of the resonating frequency is observed and a bistability of the mechanical oscillator is present [as discussed in G. Micchi, R. Avriller, F. Pistolesi, Phys. Rev. Lett. 115, 206802 (2015)]. We thus find upper bounds to the sensitivity of the mixing-current detection technique. We also consider how the mixing-current technique is modified in the limit where the tunneling rate becomes comparable to the resonating frequency of the mechanical oscillator.