Non-linear dynamics in nano-electromechanical systems at low temperatures

par Martial Defoort

Thèse de doctorat en Physique de la matière condensée et du rayonnement

Sous la direction de Eddy Collin.

Soutenue le 16-12-2014

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

Le président du jury était Olivier Bourgeois.

Le jury était composé de Stephen Thomas Purcell, Sébastien Hentz.

Les rapporteurs étaient Warner Venstra, Mark Dykman.


  • Résumé

    L'étude des systèmes non-linéaires ouvre un large champ d'investigation en recherche fondamentale, dans cette optique les Systèmes Nano-Electro-Mécanique (NEMS) sont des outils de premier choix. Ce manuscrit met en avant l'utilisation des propriétés non-linéaires de nano-résonateurs pour la physique fondamentale. À la suite d'une calibration rigoureuse de notre dispositif expérimental, nous avons caractérisé les principaux paramètres associés à la résonance de nos structures avec, en particulier, la non-linéarité de Duffing qui est à la source des mécanismes de couplage entre les différents modes de notre système. Une nouvelle procédure expérimentale utilisant une excitation à deux tons est présentée, émergeant du couplage entre modes mais en stimulant un seul mode résonant : un système de détection à haute précision de la résonance de la structure. Le régime de Duffing engendre également l'ouverture d'une hystérésis au sein de la courbe de résonance du NEMS, configuration qui est alors utilisée comme système modèle pour le phénomène de bifurcation. Nous démontrons, numériquement et expérimentalement, que le comportement non-linéaire et les lois de puissances universelles décrites par la théorie sont valides au-delà des prédictions attendues. Différentes techniques expérimentales sont finalement présentées, utilisant les NEMS afin de détecter des caractéristiques fondamentales de la matière condensée, comme les signatures des systèmes à deux niveaux présents au sein des nano-résonateurs ou les propriétés de glissement dans un gaz raréfié.

  • Titre traduit

    Dynamique non-linéaire dans les systèmes nano-électromécanique à basses températures


  • Résumé

    The investigation of non-linear dynamics intrinsically opens access to a broad field of researches, and Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS) are valuable tools for this purpose. In the present manuscript, we emphasize the fundamental applications of non-linear nano-resonators for condensed matter. After a careful calibration of our peculiar experimental set-up, we characterize the relevant parameters associated to the resonance of our devices, notably the Duffing non-linearity which is the essence of coupling mechanisms between distinct modes of the system. We present a new scheme emerging from the mode-coupling technique, using a two-tone drive but actuating a single flexural mode: a high precision detection procedure of the initial resonator's response. The Duffing regime also opens an hysteresis within the resonance line of the NEMS, and the device is then employed as a model system for the associated bifurcation process. We explored numerically and experimentally this physical phenomenon and found that both the non-linear behaviour and the universal power laws described in the general theory are still valid far beyond any analytical predictions. We finally describe different techniques using NEMS as sensors to measure fundamental features of condensed matter physics, like signatures of two level systems within the resonator's material or slippage in a rarefied gas.


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