Etude optomécanique des forces de proximité et de la dynamique des ondes de charges dans des nanorésonateurs mécaniques

Nano-optomechanical exploration of proximity forces and chargewaves in suspended nanowire

• Auteur / Autrice : Hugo Weltz
• Direction : Benjamin Pigeau, Olivier Arcizet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Edwige Bano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benjamin Grevin, Mircea-Vasile Rastei, Julien Pernot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Poncharal, Christophe Voisin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Charge de fond

Électrooptique

Ondes de plasma

Optomécanique

Mots clés libres

Optomécanique

Nanorésonateur

Forces de proximité

Onde de charges

Électro-Optique

Transport de charges

Optomechanics

Nanoresonator

Proximity forces

Charge waves

Electro-Optic

Charge transport

Résumé

L'usage de micro et nano oscillateurs mécaniques permet de réaliser des mesures de force ultrasensibles avec une grande résolution spatiale. Ils sont couramment utilisés pour réaliser l'étude de surfaces grâce à la microscopie à force atomique, apportant des informations complémentaires aux microscopies optiques et électroniques. Ce manuscrit décrit les travaux réalisés avec un nanofil semiconducteur de Carbure de Silicium suspendu comme sonde de force permettant la réalisation de mesures bidimensionnelles de champs de forces avec une sensibilité de quelques attoN.Hz^-(1/2) à température ambiante. Les variations des propriétés mécaniques du nanofil sous l’action d'un champ de force externe sont détectées grâce à une méthode pompe-sonde optique permettant une mesure quasiment en temps réel. La première partie de ce manuscrit se focalise sur l'étude des champs de force apparaissant à proximité d'une surface métallique nanostructurée, à savoir les forces électrostatiques et la force de Casimir générée par les fluctuations du vide électromagnétique. Nous présentons une méthode générale de compensation des champs électriques résiduels à deux dimensions ainsi qu’une preuve de principe expérimentale. La seconde partie porte sur l'étude d'une force électro-optique apparaissant lorsque le nanofil est soumis à une combinaison d’excitation optique et de champs électriques intenses. L’absorption du laser de pompe crée des paires électron-trou qui vont générer des ondes de charges se propageant dans le fil, causant une force latérale sous l'action d'un champ électrique transverse. Les variations de cette force en fonction des différentes composantes du champs électrostatique sont comparées à un modèle analytique de transport dynamique des charges permettant une mesure optomécanique sans contact des propriétés électroniques du nanofil. Enfin, on présente une étude de la dépendance des effets électro-optiques en longueur d'onde et en position du laser de pompe le long du nanofil, ainsi que les non-linéarités observées à forte densité de charge.

The use of micro and nano mechanical oscillators enables ultra-sensitive force measurements with high spatial resolution. They are commonly used to study surfaces using atomic force microscopy, providing complementary information to optical and electron microscopy. This manuscript describes work carried out with a Silicon Carbide semiconductor nanowire suspended as a force probe, enabling two-dimensional force field measurements to be made with a sensitivity of a few attoN.Hz^-(1/2). at room temperature. Variations in the mechanical properties of the nanowire under the action of an external force field are detected using an optical pump-probe method allowing near real-time measurement. The first part of this manuscript focuses on the study of force fields appearing in the vicinity of a nanostructured metal surface, namely electrostatic forces and the Casimir force generated by fluctuations in the electromagnetic vacuum. We present a general method for compensating residual electric fields in two dimensions and an experimental proof of principle. The second part focuses on the study of an electro-optical force that appears when the nanowire is subjected to a combination of optical excitation and intense electric fields. Absorption of the pump laser creates electron-hole pairs that generate charge waves propagating in the wire, causing a lateral force under the action of a transverse electric field. The variations in this force as a function of the various components of the electrostatic field are compared with an analytical model of dynamic charge transport, enabling non-contact optomechanical measurement of the nanowire's electronic properties. Finally, we present a study of the dependence of electro-optical effects on the wavelength and position of the pump laser along the nanowire, as well as the non-linearities observed at high charge density.