Température effective d'un système hors équilibre : fluctuations thermiques d'un microlevier soumis à un flux de chaleur

par Mickaël Geitner

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ludovic Bellon.

Soutenue le 23-10-2015

à Lyon, École normale supérieure , dans le cadre de École doctorale de Physique et d’Astrophysique (Lyon) , en partenariat avec Laboratoire de physique (Lyon) (laboratoire) .

Le président du jury était Sergio Ciliberto.

Le jury était composé de Ludovic Bellon, Sergio Ciliberto, Christian Fretigny, Pascal Viot, Séverine Gomès.

Les rapporteurs étaient Christian Fretigny, Pascal Viot.


  • Résumé

    A l’aide d’un interféromètre différentiel à quadrature de phase nous mesurons les fluctuations thermiques de la déflexion d’un micro-levier. Il est alors possible de déduire différentes propriétés mécaniques du levier telles que raideur, fréquences de résonance, facteurs de qualité etc. Dans un tel système, la précision maximale sur les mesures est limitée par le bruit de grenaille des photodiodes (shot-noise). Afin d’augmenter le rapport signal sur bruit, nous augmentons l’intensité lumineuse du laser de mesure, diminuant ainsi le bruit de fond des spectres de fluctuations thermique. En revanche, l’augmentation de l’intensité du laser a pour effet de décaler vers les basses fréquences les résonances du levier. Une première partie de ce travail de thèse a pour objectif la compréhension de ce phénomène. Ainsi, nous associons le décalage en fréquence à un échauffement du levier par le laser de l’interféromètre et au flux de chaleur associé le long du levier. Nous développons alors un modèle permettant de relier cet effet à la température de l’extrémité du levier en se basant sur un profil de température linéaire. Une seconde partie de ce travail vise à mesurer la température effective d’un levier à l’aide d’une extension du théorème fluctuation-dissipation. Nous montrons que les fluctuations de ce système hors équilibre sont plus faibles que celles attendues compte tenu du profil de température. Nous cherchons alors à identifier l’origine de ce déficit de fluctuations. Dans une dernière partie nous estimons les profils de température sur des leviers en faisant varier leurs paramètres géométriques ou leur coefficient d’absorption, ainsi que la position du laser chauffant le levier.

  • Titre traduit

    Effective temperature of an out of equilibirum system : thermal fluctuations of a strongly heated cantilever


  • Résumé

    Thanks to a home made quadrature phase differential interferometer, we measure the thermal fluctuations ofa cantilever. It is then possible to infer various mechanical properties such as eigenfrequencies, stiffness,quality factor, etc. In such system, the maximal precision on the measure is limited by the shotnoise of thephotodiodes. To increase the signal-noise ratio we raise the light intensity of the laser, lowering thebackground noise. Doing so, the cantilever eigen frequencies shifts to lower values. A fisrt part of this thesiswork has for objective the understanding of this phenomenon. Thus, we associate this frequency shift with aheating of the cantilever by the laser. We develop a model linking this effect to the temperature at the freeend of the cantilever assuming a linear temperature profile.A second part of this thesis leads us to estimate the effective temperature of a cantilever using thefluctuation-dissipation theorem. We show that the fluctuations of our out of equilibrium system are lower thanthe fluctuations expected at equilibrium.In the last part, we estimate the temperature profiles on cantilevers by varying their geometry, absorptioncoefficient and laser position.


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