Étude expérimentale de moteurs à information à l'échelle mésoscopique

Experimental study of information engines at the mesoscopic scale

• Auteur / Autrice : Aubin Archambault
• Direction : Caroline Crauste, Ludovic Bellon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Kirone Mallick
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Crauste, Ludovic Bellon, Kirone Mallick, Edgar Roldán, Cyriaque Genet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Edgar Roldán, Cyriaque Genet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Information, Théorie de l'

Physique statistique

Thermodynamique

Mots clés libres

Thermodynamique

Physique statistique

Échelle mésoscopique

Thermodynamique stochastique

Traitement de l'information

Protocoles à rétroaction

Thermodynamic

Statistical physics

Mesoscopic scale

Stochastic thermodynamics

Information processing

Feedback protocols

Résumé

Les lois de la thermodynamique usuelles sont robustes et s'appliquent à une vaste gamme de systèmes à l'échelle macroscopique. Cependant dès lors que l'amplitude des fluctuations thermiques devient comparable aux phénomènes étudiés, ces lois ne decrivent plus qu'un comportement moyen. S'il est macroscopiquement impossible d'extraire de l'énergie des seules fluctuations thermiques, l'exploitation d'une mesure permet d'outrepasser cette limite en adaptant les protocoles utilisés à la réalisation exacte du bruit thermique. Cette thèse présente une réalisation expérimentale de moteurs à information, c'est à dire des cycles monothermes dont l'évolution dépend du résultat d'une mesure sur le système. Ce manuscrit montre qu'il est alors possible d'extraire de l'énergie des fluctuations thermiques, et explore différents régimes en optimisant l'extraction du travail. Ces mesures testent la validité de travaux théoriques récents, et explorent le régime sous-amorti peu étudié car plus complexe à aborder. Elles montrent en particulier l'émergence d'effets spécifiques de ce régime.Cette thèse présente également deux travaux annexes. Le premier concerne la mise au point de modèles mathématiques des modes de vibrations de microleviers auxquels une masse sphèrique a été ajoutée. Ces modèles sont complétés par des mesures expérimentales, rendues possibles par la mise au point de procédés de microfabrication. Le deuxième concerne la conception d'un dispositif de mesure de forces faibles, de l'ordre du piconewton, et son application à des mesures de la force de Casimir.

The usual laws of thermodynamics are robust and can be applied to large range of macroscopic systems. However, when thermal fluctuations are on the same scale as the studied phenomena, these laws only describe the average behaviour. While it is impossible to macroscopicaly extract work from thermal fluctuations, this limit can be overcome by adapting the protocols based on the outcome of a measurement.This thesis presents an experimental realisation of information engine, monothermal cycles whose evolution is determined by the result of a measurement on the system. We show that it is then possible to extract energy from thermal fluctuations, and optimise the engine to maximise the work extraction in different regimes. These measurements are used to test recent theoretical works and explore the underdamped regime, usually harder to study. They also highlight specific effects of this underdamped regime.Two supplementary works are presented. The first presents two model for the description of the flexural modes of micro-cantilevers loaded with massive spheres. These models are completed by experiments, made possible by the development of microfabrication process.The second presents the development of force measurement device, adapted to forces in the range of the piconewton. This device is used to measure Casimir forces, up to a distance of 30nm.