Sensitivité de la méthode dite de mélange des courants pour la détection du déplacement nano-mécanique

Abstract

La détection des déplacements nano-mécaniques par les techniques de transport électronique a atteint un haut niveau de sensibilité et de polyvalence. Afin de détecter l'amplitude d'oscillation d'un oscillateur nano-mécanique, une technique largement utilisée consiste à coupler ce mouvement de façon capacitive à un transistor à un seul électron ou, plus généralement, à un dispositif de transport, et à détecter la modulation haute fréquence du courant à travers le mélange non linéaire avec un signal électrique à une fréquence légèrement désaccordée. Cette méthode, connue sous le nom de technique de mélange des courants, est utilisée notamment pour la détection de nanotubes de carbone suspendus et s'est avérée particulièrement efficace, ce qui a permis d'obtenir des records de sensibilité dans la détection de masse et de force. Dans cette thèse nous étudions théoriquement les conditions qui limitent la sensibilité de cette méthode dans différents types de dispositifs de transport. La sensibilité est un compromis entre le bruit, le bruit de rétroaction et la fonction de réponse. Cette dernière est proportionnel au couplage électromécanique. Pour ces raisons dans la thèse, nous étudions la fonction de réponse, l'effet des fluctuations de courant et de déplacement (back-action) dans les dispositifs de détection suivants: (i) le transistor métallique à électron unique, (ii) le transistor à un seul niveau électronique et (iii) le point quantique cohérent. La sensibilité optimale est obtenue, comme d'habitude, lorsque la rétroaction du dispositif de détection est égale au bruit du signal intrinsèque, ce qui, dans notre cas, est le bruit en courant. Nous avons constaté que les valeurs optimales typiques du couplage sont obtenues dans la limite de couplage fort, où une forte renormalisation de la fréquence de résonance est observée et une bistabilité de l'oscillateur mécanique est présente [comme discuté dans G. Micchi, R. Avriller, F. Pistolesi, Phys. Rev. Lett. 115, 206802 (2015)]. Nous trouvons donc des limites supérieures à la sensibilité de la technique de détection de mélange des courants. Nous considérons également comment la technique du mélange des courants est modifiée dans la limite où le taux de transmission tunnel devient comparable à la fréquence de résonance de l'oscillateur mécanique