Habillage mécanique d'un nanofil par un champ de force : de la mesure vectorielle ultrasensible aux systèmes quantiques hybrides

Mechanical dressing of a nanowire by a force field : from ultrasensitive vectorial measurement to hybrid quantum systems

• Auteur / Autrice : Laure Mercier de Lépinay
• Direction : Wolfgang Wernsdorfer, Olivier Arcizet, Benjamin Pigeau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 30/06/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Serge Reynaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabio Pistolesi, Martino Poggio
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Antoine Heidmann, Isabelle Robert-Philip

Mots clés

Mots clés contrôlés

Instruments de mesure

Systèmes dynamiques hybrides

Nanofils

Mots clés libres

Nanomécanique

Mesure de force

Système hybride

Forces non-Conservatives

Centre NV

Nanomechanics

Force measurement

Hybrid system

Non conservative forces

NV center

Résumé

L'étude du couplage hybride entre les vibrations d'un résonateur mécanique et un degré de liberté quantique requiert une très grande sensibilité en force. Ceci a motivé le développement récent de nano-oscillateurs ultra-légers, qui constituent des sondes de force ultra-sensibles opérant désormais au niveau de l'attoNewton.Le premier volet de ce travail traite de l'habillage mécanique d'un nanofil suspendu de carbure de silicium, oscillant dans deux directions transverses. Son évolution Brownienne ou excitée dans un champ de force externe perturbe ses propriétés : fréquences et directions propres de vibration. Une technique de mesure optique des vibrations du nanofil en deux dimensions a été développée. Elle a permis, dans un premier temps, de cartographier un champ de force électrostatique, révélant une phénoménologie de l'habillage spécifique aux dimensions supérieures à un. En particulier, les composantes cisaillantes du champ induisent une rotation des directions propres de vibration. Dans un deuxième temps, la technique de mesure a été testée dans un champ de force optique, produit par un laser focalisé sur le nanofil, et qui contient une composante rotationnelle, non conservative. On rapporte l'observation d'une brisure de l'orthogonalité des modes propres, d'une distorsion et d'une amplification des spectres de mouvement Brownien, toutes en accord avec le modèle décrivant l'habillage mécanique du nanofil par ce champ de force externe non potentiel. A partir d'un protocole adapté à la multi-dimensionnalité du système, une déviation à la relation fluctuation-dissipation a également été mesurée : il s'agit d'une conséquence de la sortie de l'équilibre induite par la force optique non-conservative. L'étude des propriétés thermodynamiques du système suggère des corrections à la relation fluctuation-dissipation et prédit enfin un phénomène de compression du bruit thermique de l'oscillateur en champ de force rotationnel.Le deuxième volet de la thèse concerne le système hybride constitué d'un nanofil et d'un qubit de spin, un centre coloré NV du diamant attaché à son extrémité. Les propriétés optiques de cette source de photons uniques oscillante sont caractérisées à partir de la mesure de corrélations spatio-temporelles de la fluorescence du centre NV sur lesquelles les vibrations de l'oscillateur se retrouvent encodées. Nous avons ainsi développé un système de mesure du mouvement compatible avec de très faibles flux de photons, inférieurs en particulier au taux de décohérence mécanique. La dernière partie de ce manuscrit présente une étude préliminaire du couplage du spin-mécanique. Après l'observation d'un triplet de Mollow phononique, les développements expérimentaux de la première partie de la thèse ont été intégrés à une expérience hybride de seconde génération stabilisée amenant la mesure de force ultra-sensible à la portée du système hybride.

The study of the hybrid coupling between the vibrations of a mechanical resonator and a quantum degree of freedom requires extremely high force sensitivities. This was one of the motivations for the recent development of ultra-light nano-oscillators which are ultra-sensitive force probes now routinely operating at the attoNewton level.The first part of this work deals with the mechanical dressing of a silicon carbide suspended nanowire oscillating in two transverse directions. Its Brownian or driven evolution in an external force field modifies its mechanical properties: eigen-frequencies and eigen-directions of oscillation. An optical technique to measure the nanowire vibrations in two dimensions was developed. First, this technique enabled to map out an electrostatic force field, which revealed a dressing phenomenology specific to dimensions greater than one. In particular, shearing components of the force field are responsible for a rotation of the eigen-directions of vibration. Second, the measurement technique was tested in an optical force field applied by a laser focused on the nanowire. This field contains a rotational, non-conservative component. The reported experimental observations: eigenmodes orthogonality breaking, distorsion and amplification of Brownian motion spectra, are all in good agreement with the model of the mechanical dressing. Using a protocol adapted to the multidimensionality of the system, a deviation to the fluctuation-dissipation relation has also been measured, as a consequence of the non-conservative force bringing the system out of equilibrium. The study of this system's thermodynamic properties suggests corrections to the fluctuation-dissipation relation and predicts a squeezing of the oscillator's thermal noise in rotational force fields.The second part of the thesis concerns the hybrid system composed of a nanowire and a spin qubit: a colored NV center in diamond bound to its extremity. The optical properties of this oscillating single photon source are characterized through the measurement of space-time fluorescence correlations on which the oscillator's vibrations are encoded. We then developed a motion measurement technique compatible with very low photon fluxes, in particular inferior to the mechanical decoherence rate. The last part of the manuscript presents a preliminary study of the spin-mechanical coupling. After the observation of a phononic Mollow triplet, the experimental developments of the first part of the thesis were integrated in a second-generation stabilized hybrid experiment bringing the ultrasensitive force measurement within the reach of the hybrid system.