Hybrid spin-nanomechanical systems in parametric interaction

par Sven Rohr

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Wolfgang Wernsdorfer et de Olivier Arcizet.

Soutenue le 15-12-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Jean-Philippe Poizat.

Le jury était composé de Patrick Maletinsky.

Les rapporteurs étaient Jean-François Roch, Tobias Kippenberg.


  • Résumé

    L'exploration du monde quantique au moyen d'objets macroscopiques constitue l'un des défis centraux de ces dernières décennies pour la recherche en physique. Parmi les systèmes proposés pour atteindre cet objectif, les systèmes hybrides, qui couplent un résonateur nanomécanique à un qubit unique, font figure de paradigme.L'excitation cohérente d'un oscillateur mécanique macroscopique par un unique spin électronique ouvrirait en particulier de nouvelles perspectives pour la création d'états quantiques arbitraires du mouvement.Dans ce manuscrit, nous considérons un système hybride constitué d'un oscillateur nanomécanique et du spin électronique d'un unique centre NV, couplés entre eux par une interaction magnétique. Nous nous concentrons sur le cas d'une interaction paramétrique où la vibration mécanique module l'énergie du qubit, et plus précisément sur le cas où le qubit ainsi forcé et l'oscillateur mécanique évoluent sur des échelles de temps comparables.Dans cette situation, nos observations montrent une synchronisation de la dynamique du qubit sur l'oscillation mécanique. Le phénomène est dans un premier temps abordé par une expérience-test qui remplace le mouvement mécanique par un champ radiofréquence en couplage paramétrique avec le spin. Cette première implémentation permet de dégager les propriétés essentielles de l'effet paramétrique, qui est dans un second temps observé sur l'expérience principale.Dans cette seconde expérience, un centre NV est attaché à l'extrémité d'un nanofil de carbure de silicium en vibration placé dans un fort gradient de champ magnétique. Le caractère bidimensionnel des déformations du nanofil octroie alors à la synchronisation des signatures vectorielles encore inédites, qui peuvent aussi être interprétées comme la manifestation d'un triplet de Mollow phononique, ainsi qu'il a été observé dans les premières expériences d'électrodynamique quantique.Finalement, nous explorons la robustesse de la synchronisation vis-à-vis du mouvement Brownien du résonateur, et démontrons la possibilité de protéger le qubit de cette source de décohérence additionnelle grâce à une excitation mécanique de faible amplitude.

  • Titre traduit

    Systèmes hybrides spino-mécaniques en interaction paramétrique


  • Résumé

    Probing the quantum world with macroscopic objects has been a core challenge for research in physics during the past decades. Proposed systems to reach this goal include hybrid devices that couple a nanomechanical resonator to a single spin qubit. In particular, the coherent actuation of a macroscopic mechanical oscillator by a single electronic spin would open perspectives in the creation of arbitrary quantum states of motion.In this manuscript, we investigate a hybrid system coupling a nanomechanical oscillator and a single electronic spin of a NV defect in magnetic interaction. We focus on the parametric interaction case, when the mechanical motion modulates the qubit energy, and in particular when the driven qubit and mechanical oscillators evolves on similar timescales. In that situation a synchronization of the qubit dynamics onto the mechanical motion is observed. The phenomenon is first explored on a test experiment where mechanical motion is replaced by a parametrically coupled RF field. It allows to establish the main properties of the phenomenon, which is subsequently investigated on the core experiment. It consists of a NV defect attached at the vibrating extremity of a silicon carbide nanowire, immersed in a strong magnetic field gradient. The bidimensional character of the nanowire deformations is responsible for novel vectorial signatures in the synchronization, which can also be viewed as a phononic Mollow triplet as observed in early quantum electrodynamics experiments. We finally explore the robustness of the synchronization against the Brownian motion of the resonator and demonstrate the possibility to protect the qubit against this additional decoherence source by applying a small coherent mechanical drive.


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