Nano-mécanique à ultra basse température

par Dylan Cattiaux

Projet de thèse en Physique de la Matière Condensée et du Rayonnement

Sous la direction de Eddy Collin et de Xin Zhou.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) depuis le 16-11-2017 .


  • Résumé

    Cadre général : Depuis la fin des années 50, l'intérêt pour les systèmes micro-électro-mécaniques (MEMS) n'a fait que croître. Le visionnaire R. Feynman en a été un des déclencheurs, avec son fameux pari “ de construire un moteur plus petit que 0.4 mm ”. Aujourd'hui, beaucoup de systèmes à température ambiante utilisent des MEMS, depuis les accéléromètres d'airbags aux jauges de pressions, en passant par les composants électroniques comme des mixeurs micro-ondes. Le développement du domaine de la micro et maintenant de la nano-mécanique (NEMS) atteint diverses disciplines comme la biologie (micro-balance, « lab-on-a-chip »), et les technologies multi-média (enregistrement, vidéo-projecteurs). La physique fondamentale est également très intéressée par ces structures, et la température devient alors un paramètre de contrôle permettant l'étude des propriétés de ces systèmes. En particulier à basses températures, les propriétés des MEMS/NEMS peuvent être étudiées dans des conditions très bien contrôlées. Par exemple, les mécanismes de dissipation et les effets non-linéaires peuvent être complètement caractérisés. A la limite ultime des ultra-basses températures, le degré de liberté unique d'un tel nano-objet suit les lois de la mécanique quantique, ce qui est en soi un résultat exceptionnel (cohérence imposée de facto sur des millions d'atomes). Sujet et moyens : Le projet concerne des questions de physique fondamentale, à la fois classique et quantique. Dans un premier temps, les phénomènes non-linéaires et des techniques d'actuation particulières seront étudiées à des températures modérément basses. Le but est de comprendre leur origine fondamentale, et de construire à partir d'elles de nouvelles techniques qui pourraient éventuellement s'appliquer au régime quantique. Dans un second temps, les phénomènes ultra-basses températures seront étudiés. Ils incluent l'étude de la relaxation de l'énergie aux plus basses températures, le couplage entre un mode mécanique et son environnement (qu'il s'agisse de défauts dans le matériau, d'un fluide quantique dans lequel il est immergé ou simplement le bain thermodynamique de phonons) et la possibilité de caractériser la cohérence quantique dans un tel système. Ce dernier point, qui est à la fois le plus difficile mais aussi certainement le plus intéressant, fait le lien avec des questions fondamentales de la mécanique quantique, comme en particulier: la théorie quantique est-elle complète? Ou quelque ingrédient, qui permettrait par exemple l'unification avec la gravitation, fait-il encore défaut? Nous avons développés des systèmes mécaniques pour ces expériences. Nous avons des cryostats dévoués à ces recherches, avec des machines de pointe milliKelvin et sub-milliKelvin. L'équipement et en particulier l'électronique est disponible au laboratoire, avec l'expertise unique des services techniques de l'Institut Néel (cryogénie, électronique, microfabrication).

  • Titre traduit

    Ultra-cold nanomechanics


  • Résumé

    General framework : Since the end of the 50's, the interest for micro-electro-mechanical systems (MEMS) has been continuously expanding. Visionary R. Feynman was one of the triggers, with his famous “bet to construct a motor smaller than 0.4 mm”. Nowadays, many room temperature devices are using MEMS, from airbag accelerometers to pressure gages and electronic components like microwave mixers. The development of the micro- and now the nano- mechanical field (NEMS) reaches various disciplines like biology (micro-weight, « lab-on-a-chip »), and multi-media technologies (data storage, video projectors). Fundamental physics is also interested by these structures, and the temperature becomes then a control parameter to study the properties of these devices. Especially at low temperatures, the properties of MEMS/NEMS can be studied in well-controlled conditions. For instance the dissipation mechanisms and the non-linear effects can be fully characterized. At the ultimate limit of ultra-low temperatures, the single degree of freedom of such a nano-object is following quantum mechanics, which represents on its own an exceptional result (coherence imposed de facto over millions of atoms). Subject and resources: The project aims at addressing fundamental issues of both classical and quantum physics. In a first step, nonlinear phenomena and peculiar NEMS driving schemes will be studied at moderately low temperatures. The point is to understand the fundamental aspects of these, and built on them new techniques which could eventually extend to the quantum regime. In a second step, ultra-low temperature phenomenon will be addressed. They include the study of energy relaxation at the lowest temperatures, the coupling between a mechanical mode and its environment (let it be a defect in the material, a surrounding quantum fluid or simply the thermodynamical phonon bath) and the ability to characterize quantum coherence in such a system. This last point, which is the most demanding, is certainly also the most intriguing since it links to fundamental puzzles of quantum theory, with in particular: is quantum theory complete? Or some ingredients, leading to unification with gravitation are still missing? We have developed mechanical devices for these experiments (see Fig. below). We have devoted cryostats, with state-of-the-art milliKevin and sub-milliKelvin machines. Electronic devices and equipment is present on site, with the extremely valuable expertise of the Néel technical staff (cryogenics, electronics, microfabrication).