{"id":70038,"date":"2024-09-03T14:50:27","date_gmt":"2024-09-03T12:50:27","guid":{"rendered":"https:\/\/www.iemn.fr\/?p=70038"},"modified":"2024-09-18T08:45:56","modified_gmt":"2024-09-18T06:45:56","slug":"detection-et-manipulation-ultrasensibles-des-vibrations-nano-mecaniques","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/newsletter\/detection-et-manipulation-ultrasensibles-des-vibrations-nano-mecaniques.html","title":{"rendered":"Ultra-sensitive detection and handling of nano-mechanical vibrations"},"content":{"rendered":"<style type=\"text\/css\" data-created_by=\"avia_inline_auto\" id=\"style-css-av-jcmdkp-f0648170943aa2db4b98afe287ec47a5\">\n.flex_column.av-jcmdkp-f0648170943aa2db4b98afe287ec47a5{\nborder-radius:0px 0px 0px 0px;\npadding:0px 0px 0px 0px;\n}\n<\/style>\n<div  class='flex_column av-jcmdkp-f0648170943aa2db4b98afe287ec47a5 av_one_full  avia-builder-el-0  el_before_av_hr  avia-builder-el-first  first flex_column_div av-zero-column-padding'     ><style type=\"text\/css\" data-created_by=\"avia_inline_auto\" id=\"style-css-av-lj2wv98e-6288bb97e8278e844ebf703731d3b4f4\">\n#top .av-special-heading.av-lj2wv98e-6288bb97e8278e844ebf703731d3b4f4{\npadding-bottom:10px;\n}\nbody .av-special-heading.av-lj2wv98e-6288bb97e8278e844ebf703731d3b4f4 .av-special-heading-tag .heading-char{\nfont-size:25px;\n}\n.av-special-heading.av-lj2wv98e-6288bb97e8278e844ebf703731d3b4f4 .av-subheading{\nfont-size:15px;\n}\n<\/style>\n<div  class='av-special-heading av-lj2wv98e-6288bb97e8278e844ebf703731d3b4f4 av-special-heading-h2 blockquote modern-quote modern-centered  avia-builder-el-1  avia-builder-el-no-sibling  av-linked-heading'><h2 class='av-special-heading-tag'  itemprop=\"headline\"  > Ultra-sensitive detection and handling of nano-mechanical vibrations<\/h2><div class=\"special-heading-border\"><div class=\"special-heading-inner-border\"><\/div><\/div><\/div><\/div>\n<div  class='hr av-welzek-afb4895d7bf172b66e6fe02bf654bb47 hr-default  avia-builder-el-2  el_after_av_one_full  el_before_av_textblock'><span class='hr-inner'><span class=\"hr-inner-style\"><\/span><\/span><\/div>\n\n<style type=\"text\/css\" data-created_by=\"avia_inline_auto\" id=\"style-css-av-liyd3ih1-2de45dc71256443f58ac05b1c659686e\">\n#top .av_textblock_section.av-liyd3ih1-2de45dc71256443f58ac05b1c659686e .avia_textblock{\nfont-size:14px;\n}\n<\/style>\n<section  class='av_textblock_section av-liyd3ih1-2de45dc71256443f58ac05b1c659686e'   itemscope=\"itemscope\" itemtype=\"https:\/\/schema.org\/BlogPosting\" itemprop=\"blogPost\" ><div class='avia_textblock'  itemprop=\"text\" ><blockquote>\n<p>\u00c0 ce jour, diverses technologies ont \u00e9t\u00e9 mises au point, tant dans l&rsquo;industrie que dans la recherche, pour d\u00e9tecter et manipuler de minuscules vibrations m\u00e9caniques \u00e0 l&rsquo;\u00e9chelle du nanom\u00e8tre, facilitant ainsi les applications de d\u00e9tection. Toutefois, on manque encore d&rsquo;outils combinant une r\u00e9solution spatiale \u00e9lev\u00e9e et la capacit\u00e9 de manipuler l&rsquo;\u00e9change d&rsquo;\u00e9nergie entre diff\u00e9rents \u00e9l\u00e9ments vibrants sans qu&rsquo;un contact m\u00e9canique ne soit n\u00e9cessaire. Un tel outil est essentiel pour explorer des variations d&rsquo;\u00e9nergie extr\u00eamement faibles, par exemple pour la d\u00e9tection dans les syst\u00e8mes quantiques.<\/p>\n<\/blockquote>\n<p>Dans ce travail, nous pr\u00e9sentons une plateforme unique et ultra-sensible qui utilise une pointe m\u00e9tallique \u00e0 balayage coupl\u00e9e de mani\u00e8re capacitive \u00e0 une membrane sous-jacente, sans aucun contact m\u00e9canique. Des signaux micro-ondes de faible puissance sont transmis par la pointe \u00e0 une membrane sous-jacente, servant de bus d&rsquo;information. Ces photons micro-ondes facilitent les interactions coh\u00e9rentes entre les minuscules vibrations m\u00e9caniques de quelques nanom\u00e8tres port\u00e9es par la pointe et la membrane, mais fournissent \u00e9galement une m\u00e9thode ultra-sensible pour d\u00e9tecter ce type d\u2019interactions, avec un seuil de d\u00e9tection de 2,1 pm\u2044\u221aHz. Le concept de base de cette plateforme, ainsi que la membrane suspendue fabriqu\u00e9e \u00e0 l&rsquo;aide des technologies de nanofabrication [1], sont illustr\u00e9s \u00e0 la figure 1. Cette configuration combine une haute r\u00e9solution spatiale avec la capacit\u00e9 d&rsquo;injecter des micro-ondes, en utilisant la pointe de balayage comme une grille mobile plac\u00e9e au-dessus de la membrane vibrante suspendue. L&rsquo;ultra-sensibilit\u00e9 permet de d\u00e9tecter les vibrations de la membrane m\u00eame lorsque la distance (h) entre la pointe et la membrane est relativement grande, comme h = 1 \u03bcm. Elle permet d&rsquo;\u00e9tudier les ph\u00e9nom\u00e8nes nanom\u00e9caniques, tels que la cartographie des modes de vibration m\u00e9canique (voir Fig.2.(a)) et l&rsquo;analyse des effets d&rsquo;amortissement m\u00e9canique. La r\u00e9solution spatiale peut atteindre l&rsquo;\u00e9chelle du nanom\u00e8tre.<\/p>\n<\/div><\/section>\n\n<style type=\"text\/css\" data-created_by=\"avia_inline_auto\" id=\"style-css-av-l8sj8c-a06f1472d2b3e2e898226cb5e0d631fd\">\n.flex_column.av-l8sj8c-a06f1472d2b3e2e898226cb5e0d631fd{\nborder-width:4px;\nborder-color:#d6d6d6;\nborder-style:dotted;\nborder-radius:15px 15px 15px 15px;\npadding:0px 0px 0px 0px;\n}\n<\/style>\n<div  class='flex_column av-l8sj8c-a06f1472d2b3e2e898226cb5e0d631fd av_one_half  avia-builder-el-4  el_after_av_textblock  el_before_av_one_half  first flex_column_div av-zero-column-padding  column-top-margin'     ><section  class='av_textblock_section av-liydilt8-a84414dca070dc19629155561facf5d0'   itemscope=\"itemscope\" itemtype=\"https:\/\/schema.org\/BlogPosting\" itemprop=\"blogPost\" ><div class='avia_textblock'  itemprop=\"text\" ><p style=\"text-align: center;\">Figure (1):<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel.jpg\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-70363 size-full aligncenter\" src=\"https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel.jpg\" alt=\"\" width=\"1000\" height=\"385\" srcset=\"https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel.jpg 1000w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel-300x116.jpg 300w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel-768x296.jpg 768w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel-18x7.jpg 18w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin_visuel-705x271.jpg 705w\" sizes=\"auto, (max-width: 1000px) 100vw, 1000px\" \/><\/a><\/p>\n<p><em>Fig.1 : <\/em><em>Le graphique pr\u00e9sente une pointe de balayage coupl\u00e9e \u00e0 une membrane suspendue. (a) Un sch\u00e9ma du concept de base de l&rsquo;exp\u00e9rience montre une pointe de balayage positionn\u00e9e au-dessus d&rsquo;un r\u00e9sonateur micro\u00e9lectrom\u00e9canique \u00e0 membrane (repr\u00e9sent\u00e9 en violet), avec une distance de s\u00e9paration h le long de l&rsquo;axe z. (b) <\/em><em>Photo en microscopie \u00e9lectronique \u00e0 balayage de la pointe de balayage et de la membrane. <\/em><em>La t\u00eate de la pointe mesure environ 2 \u00b5m. La membrane a un diam\u00e8tre d&rsquo;environ 30 \u00b5m, une \u00e9paisseur d&rsquo;environ 80 nm et est recouverte d&rsquo;une fine pellicule d&rsquo;aluminium d&rsquo;une \u00e9paisseur d&rsquo;environ 20 nm [1]. L&rsquo;ensemble de la membrane est s\u00e9par\u00e9 du substrat de silicium par la gravure de la couche de silicium sous-jacente \u00e0 travers ces nano-trous, qui ont un diam\u00e8tre d&rsquo;environ 200 nm [1]. <\/em><\/p>\n<\/div><\/section><\/div>\n\n<style type=\"text\/css\" data-created_by=\"avia_inline_auto\" id=\"style-css-av-l8sj8c-4-ff8082a65424af8a60a2ef4fe0f4e436\">\n.flex_column.av-l8sj8c-4-ff8082a65424af8a60a2ef4fe0f4e436{\nborder-width:4px;\nborder-color:#d6d6d6;\nborder-style:dotted;\nborder-radius:15px 15px 15px 15px;\npadding:0px 0px 0px 0px;\n}\n<\/style>\n<div  class='flex_column av-l8sj8c-4-ff8082a65424af8a60a2ef4fe0f4e436 av_one_half  avia-builder-el-6  el_after_av_one_half  el_before_av_one_full  flex_column_div av-zero-column-padding  column-top-margin'     ><section  class='av_textblock_section av-liydilt8-3-d77d93f9ca561128ffe9015b8dd5c9a0'   itemscope=\"itemscope\" itemtype=\"https:\/\/schema.org\/BlogPosting\" itemprop=\"blogPost\" ><div class='avia_textblock'  itemprop=\"text\" ><p style=\"text-align: center;\">Figure (2):<\/p>\n<p><a href=\"https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2.jpg\"><img loading=\"lazy\" decoding=\"async\" class=\"wp-image-70043 aligncenter\" src=\"https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2.jpg\" alt=\"\" width=\"750\" height=\"373\" srcset=\"https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2.jpg 950w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2-300x149.jpg 300w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2-768x382.jpg 768w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2-18x9.jpg 18w, https:\/\/www.iemn.fr\/wp-content\/uploads\/2024\/09\/xin2-705x351.jpg 705w\" sizes=\"auto, (max-width: 750px) 100vw, 750px\" \/><\/a><\/p>\n<p><em>Le graphique pr\u00e9sente les caract\u00e9ristiques uniques de ce syst\u00e8me coupl\u00e9 pointe-membrane.\u00a0 (a) <\/em><em>Les modes de vibration spatiale de la membrane sont cartographi\u00e9s en balayant la pointe sur la surface x-y tout en maintenant une distance constante h entre la pointe et la membrane. La figure inf\u00e9rieure montre la r\u00e9ponse m\u00e9canique typique de la membrane lorsque la pointe est positionn\u00e9e au centre de la membrane circulaire, mesur\u00e9e par les photons micro-ondes \u00e9mis par la pointe. La figure sup\u00e9rieure pr\u00e9sente une carte spatiale du mode de vibration de la membrane, d\u00e9riv\u00e9e des r\u00e9sonances mesur\u00e9es \u00e0 chaque position x-y. La carte des modes d\u2019imagerie est conforme \u00e0 la th\u00e9orie des vibrations m\u00e9caniques. (b) L&rsquo;amplitude de vibration de la pointe de balayage varie en fonction du signal \u00e9lectrique V<sub>p<\/sub> , qui contr\u00f4le l&rsquo;interaction entre la membrane et la pointe.<\/em><\/p>\n<\/div><\/section><\/div>\n<div  class='flex_column av-rwurp2-d2cfcf1cda7f2944060bc33913dff205 av_one_full  avia-builder-el-8  el_after_av_one_half  el_before_av_button  first flex_column_div  column-top-margin'     ><style type=\"text\/css\" data-created_by=\"avia_inline_auto\" id=\"style-css-av-m0mfi2uz-c44ca45d607b2da5b8c1dda866632c12\">\n#top .av_textblock_section.av-m0mfi2uz-c44ca45d607b2da5b8c1dda866632c12 .avia_textblock{\nfont-size:14px;\n}\n<\/style>\n<section  class='av_textblock_section av-m0mfi2uz-c44ca45d607b2da5b8c1dda866632c12'   itemscope=\"itemscope\" itemtype=\"https:\/\/schema.org\/BlogPosting\" itemprop=\"blogPost\" ><div class='avia_textblock'  itemprop=\"text\" ><blockquote>\n<p><em>On pourrait penser qu&rsquo;il est difficile d&rsquo;\u00e9tablir un \u00e9change d&rsquo;\u00e9nergie entre deux syst\u00e8mes nanom\u00e9caniques s\u00e9par\u00e9s dans l&rsquo;espace et ayant des fr\u00e9quences de vibration diff\u00e9rentes.<\/em><\/p>\n<\/blockquote>\n<p>Cette hypoth\u00e8se est toutefois erron\u00e9e. Ce travail d\u00e9montre que nous pouvons manipuler un \u00e9change d&rsquo;\u00e9nergie coh\u00e9rent entre deux syst\u00e8mes vibrants par le biais d&rsquo;un couplage param\u00e9trique, en tirant parti des principes fondamentaux de la nano\u00e9lectrom\u00e9canique de phonons en cavit\u00e9 [2], m\u00eame lorsque les deux syst\u00e8mes sont excit\u00e9s \u00e0 leurs fr\u00e9quences de r\u00e9sonance respectives. La figure 2(b) pr\u00e9sente l&rsquo;un des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux montrant que l&rsquo;\u00e9nergie de la pointe (sous forme de phonons) peut \u00eatre r\u00e9duite en appliquant un signal \u00e0 sa membrane coupl\u00e9e \u00e0 la diff\u00e9rence de fr\u00e9quence entre la pointe vibrante et la membrane. Plus l&rsquo;amplitude du signal appliqu\u00e9 est \u00e9lev\u00e9e, plus les phonons sont \u00e9limin\u00e9s, ce qui a pour effet de supprimer les vibrations m\u00e9caniques de la pointe. Ce syst\u00e8me de manipulation et de lecture ultrasensible repose sur le couplage param\u00e9trique de photons micro-ondes entre la pointe et la membrane.<\/p>\n<p>Ces r\u00e9sultats sont le fruit d&rsquo;une collaboration nationale \u00e0 long terme avec le groupe UBT de l\u2019Institut N\u00e9el, soutenue techniquement par les plateformes PCMP et CMNF de l&rsquo;IEMN, et financi\u00e8rement par les projets ANR-MORETOME et CHIST-ERA NOEMIA. Ces r\u00e9sultats ont \u00e9t\u00e9 r\u00e9cemment publi\u00e9s dans <em>ACS Nano Letters <\/em>[3]. Notre travail fait progresser l&rsquo;application de la microscopie \u00e0 micro-ondes \u00e0 balayage en l&rsquo;\u00e9tendant pour la premi\u00e8re fois \u00e0 l&rsquo;imagerie des modes de vibration m\u00e9canique, avec un potentiel d&rsquo;int\u00e9gration dans diverses applications de d\u00e9tection.\u00a0 Le concept de cette configuration exp\u00e9rimentale facilitera les activit\u00e9s de recherche visant \u00e0 d\u00e9passer les fronti\u00e8res actuelles de la d\u00e9tection quantique, en tirant parti des m\u00e9thodes de d\u00e9tection par micro-ondes qui se caract\u00e9risent par une grande sensibilit\u00e9 et de faibles effets thermiques.<\/p>\n<p>R\u00e9f :<\/p>\n<p>[1] X. Zhou, et al, &lsquo;<em>High-Q Silicon Nitride Drum Resonators Strongly Coupled to Gates&rsquo;<\/em>. <strong><em>Nano Letters <\/em><\/strong>21, no. 13 (juin 2021) : 5738\u201344. <a href=\"https:\/\/hal.science\/hal-03263144\/document\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">https:\/\/hal.science\/hal-03263144\/document<\/a><\/p>\n<p>[2] A Pokharel, et al, &lsquo;<em>Capacitively Distinct Coupling Mechanical Resonators for Room-Temperature Phonon-Cavity Electromechanics<\/em>&lsquo;, <strong><em>Nano Letters<\/em><\/strong>, 22, 7351 (2022) <a href=\"https:\/\/hal.science\/hal-03651266\/document\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">https:\/\/hal.science\/hal-03651266\/document<\/a><\/p>\n<p>[3] H. Xu, et al, \u00ab\u00a0Imaging nanomechanical vibrations and manipulating parametric mode coupling via scanning microwave microscopy\u00a0\u00bb, <strong><em>Nano Letters<\/em><\/strong>24, no.28, 8550 (2024). <a href=\"https:\/\/hal.science\/hal-04651920\" target=\"_blank\" rel=\"noopener\">https:\/\/hal.science\/hal-04651920<\/a><\/p>\n<p><strong>\u00a0<\/strong><\/p>\n<\/div><\/section><\/div><div  class='avia-button-wrap av-m0mg7phb-1bae90d771074aa00130243652eb3da7-wrap avia-button-center  avia-builder-el-10  el_after_av_one_full  avia-builder-el-last'><a href='mailto:xin.zhou@iemn.fr' class='avia-button av-m0mg7phb-1bae90d771074aa00130243652eb3da7 av-link-btn avia-icon_select-yes-left-icon avia-size-small avia-position-center avia-color-theme-color' target=\"_blank\" rel=\"noopener noreferrer\" aria-label=\"Contact Xin Zhou\"><span class='avia_button_icon avia_button_icon_left' aria-hidden='true' data-av_icon='\ue805' data-av_iconfont='entypo-fontello'><\/span><span class='avia_iconbox_title' >Contact Xin Zhou<\/span><\/a><\/div><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"","protected":false},"author":20,"featured_media":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[297],"tags":[],"class_list":["post-70038","post","type-post","status-publish","format-standard","hentry","category-newsletter"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/70038","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/users\/20"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=70038"}],"version-history":[{"count":0,"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/70038\/revisions"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=70038"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=70038"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/www.iemn.fr\/en\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=70038"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}