HDR : Xin ZHOU : «Nanoelectromechanical Resonators: Bridging Microwave Optomechanical Circuits and Phonon-Cavity Systems ».

Jury :

Le jury est composé de :

• Katia Grenier, CNRS-LAAS (rapportrice )
• Bernard Legrand, CNRS-LAAS (rapporteur)
• Anthony Ayari, CNRS-ILM (rapporteur)
• Olivier Arcizet, CNRS-NEEL (examinateur )
• Ashwin A. Seshia, University of Cambridge (examinateur )
• Eddy Collin, CNRS-NEEL (membre invité )
• Didier Theron, CNRS-IEMN (garant)

Summary:

Ce manuscrit présente une vue d’ensemble de mes activités de recherche dans l’étude du couplage multimode dans les circuits optomécaniques à micro-ondes et la nanomécanique des cavités à phonons, ainsi que les sujets qui seront poursuivis sur la base des avancées actuelles. Les études commencent par la réalisation expérimentale d’une plate-forme optomécanique à micro-ondes pour étudier la thermométrie des phonons sur puce dans un schéma de pompage à tonalité unique et la transparence/amplification induite par l’optomécanique dans un schéma d’entraînement à double tonalité. La même physique et les mêmes techniques expérimentales sont ensuite transférées dans l’étude des interactions phonon-phonon mécaniques dans la nanomécanique à cavité phononique, qui consiste en deux résonateurs membranaires distincts et couplés de manière capacitive, de manière analogue à l’optomécanique. Pour comprendre comment l’énergie est transférée de manière cohérente dans les multimodes couplés, des modèles semi-classiques et classiques de circuits optomécaniques à micro-ondes et de systèmes à cavité à phonon ont été développés selon différentes configurations d’entraînement. En outre, en intégrant l’interférométrie micro-ondes à une pointe de balayage, j’ai étendu expérimentalement les applications de la microscopie micro-ondes à balayage à l’imagerie des modes de vibration mécanique d’une membrane. En utilisant ces techniques de couplage de mode, l’énergie, sous forme de phonons, peut être transférée de manière cohérente entre la pointe de balayage et les résonateurs couplés de la membrane. Ces résultats expérimentaux sont basés non seulement sur nos efforts en matière d’analyse théorique, mais aussi sur des installations micro-ondes avancées et de nouveaux systèmes nanoélectromécaniques à membrane en nitrure de silicium développés à l’aide de techniques de nanofabrication avancées. Ces réalisations et les techniques accumulées permettent aux activités de recherche en cours de se concentrer sur l’exploration des fonctions de calcul et de détection quantique dans les résonateurs mécaniques couplés et les systèmes optomécaniques à micro-ondes..

Abstract:

This manuscript presents an overview of my research activities in the study of the multimode coupling in microwave optomechanical circuits and phonon-cavity nanomechanics, and the topics that will be pursued based on current advances. The studies start with the experimental realisation of a microwave optomechanical platform to investigate on-chip phonon thermometry in a single-tone pumping scheme and optomechanically induced transparency/amplifications in a double-tone driving scheme. The same physics and experimental techniques are then transferred in investigations of mechanical phonon-phonon interactions in phonon-cavity nanomechanics, consisting of two distinct and capacitively coupled membrane resonators, analogous to optomechanics. To understand how energy is coherently transferred in coupled multimodes, semi-classical and classical models of microwave optomechanical circuits and phonon-cavity systems have been developed according to different drive configurations. In addition, by integrating microwave interferometry with a scanning tip, I have experimentally extended the applications of scanning microwave microscopy to image mechanical vibration modes of a membrane. Using these mode coupling techniques, the energy, in the form of phonons, can be coherently transferred between the scanning tip and its coupled membrane resonators. These experimental results are based not only on our efforts in theoretical analysis, but also on advanced microwave setups and novel silicon nitride membrane nanoelectromechanical systems developed by using advanced nanofabrication techniques. These achievements and accumulated techniques allow ongoing research activities to focus on the exploration of computational functions and quantum sensing in coupled mechanical resonators and microwave optomechanical systems.