Détection et manipulation ultrasensibles des vibrations nano-mécaniques

À ce jour, diverses technologies ont été mises au point, tant dans l’industrie que dans la recherche, pour détecter et manipuler de minuscules vibrations mécaniques à l’échelle du nanomètre, facilitant ainsi les applications de détection. Toutefois, on manque encore d’outils combinant une résolution spatiale élevée et la capacité de manipuler l’échange d’énergie entre différents éléments vibrants sans qu’un contact mécanique ne soit nécessaire. Un tel outil est essentiel pour explorer des variations d’énergie extrêmement faibles, par exemple pour la détection dans les systèmes quantiques.

Dans ce travail, nous présentons une plateforme unique et ultra-sensible qui utilise une pointe métallique à balayage couplée de manière capacitive à une membrane sous-jacente, sans aucun contact mécanique. Des signaux micro-ondes de faible puissance sont transmis par la pointe à une membrane sous-jacente, servant de bus d’information. Ces photons micro-ondes facilitent les interactions cohérentes entre les minuscules vibrations mécaniques de quelques nanomètres portées par la pointe et la membrane, mais fournissent également une méthode ultra-sensible pour détecter ce type d’interactions, avec un seuil de détection de 2,1 pm⁄√Hz. Le concept de base de cette plateforme, ainsi que la membrane suspendue fabriquée à l’aide des technologies de nanofabrication [1], sont illustrés à la figure 1. Cette configuration combine une haute résolution spatiale avec la capacité d’injecter des micro-ondes, en utilisant la pointe de balayage comme une grille mobile placée au-dessus de la membrane vibrante suspendue. L’ultra-sensibilité permet de détecter les vibrations de la membrane même lorsque la distance (h) entre la pointe et la membrane est relativement grande, comme h = 1 μm. Elle permet d’étudier les phénomènes nanomécaniques, tels que la cartographie des modes de vibration mécanique (voir Fig.2.(a)) et l’analyse des effets d’amortissement mécanique. La résolution spatiale peut atteindre l’échelle du nanomètre.

Figure (1) :

Fig.1 : Le graphique présente une pointe de balayage couplée à une membrane suspendue. (a) Un schéma du concept de base de l’expérience montre une pointe de balayage positionnée au-dessus d’un résonateur microélectromécanique à membrane (représenté en violet), avec une distance de séparation h le long de l’axe z. (b) Photo en microscopie électronique à balayage de la pointe de balayage et de la membrane. La tête de la pointe mesure environ 2 µm. La membrane a un diamètre d’environ 30 µm, une épaisseur d’environ 80 nm et est recouverte d’une fine pellicule d’aluminium d’une épaisseur d’environ 20 nm [1]. L’ensemble de la membrane est séparé du substrat de silicium par la gravure de la couche de silicium sous-jacente à travers ces nano-trous, qui ont un diamètre d’environ 200 nm [1].

Figure (2) :

Le graphique présente les caractéristiques uniques de ce système couplé pointe-membrane.  (a) Les modes de vibration spatiale de la membrane sont cartographiés en balayant la pointe sur la surface x-y tout en maintenant une distance constante h entre la pointe et la membrane. La figure inférieure montre la réponse mécanique typique de la membrane lorsque la pointe est positionnée au centre de la membrane circulaire, mesurée par les photons micro-ondes émis par la pointe. La figure supérieure présente une carte spatiale du mode de vibration de la membrane, dérivée des résonances mesurées à chaque position x-y. La carte des modes d’imagerie est conforme à la théorie des vibrations mécaniques. (b) L’amplitude de vibration de la pointe de balayage varie en fonction du signal électrique Vp , qui contrôle l’interaction entre la membrane et la pointe.

On pourrait penser qu’il est difficile d’établir un échange d’énergie entre deux systèmes nanomécaniques séparés dans l’espace et ayant des fréquences de vibration différentes.

Cette hypothèse est toutefois erronée. Ce travail démontre que nous pouvons manipuler un échange d’énergie cohérent entre deux systèmes vibrants par le biais d’un couplage paramétrique, en tirant parti des principes fondamentaux de la nanoélectromécanique de phonons en cavité [2], même lorsque les deux systèmes sont excités à leurs fréquences de résonance respectives. La figure 2(b) présente l’un des résultats expérimentaux montrant que l’énergie de la pointe (sous forme de phonons) peut être réduite en appliquant un signal à sa membrane couplée à la différence de fréquence entre la pointe vibrante et la membrane. Plus l’amplitude du signal appliqué est élevée, plus les phonons sont éliminés, ce qui a pour effet de supprimer les vibrations mécaniques de la pointe. Ce système de manipulation et de lecture ultrasensible repose sur le couplage paramétrique de photons micro-ondes entre la pointe et la membrane.

Ces résultats sont le fruit d’une collaboration nationale à long terme avec le groupe UBT de l’Institut Néel, soutenue techniquement par les plateformes PCMP et CMNF de l’IEMN, et financièrement par les projets ANR-MORETOME et CHIST-ERA NOEMIA. Ces résultats ont été récemment publiés dans ACS Nano Letters [3]. Notre travail fait progresser l’application de la microscopie à micro-ondes à balayage en l’étendant pour la première fois à l’imagerie des modes de vibration mécanique, avec un potentiel d’intégration dans diverses applications de détection.  Le concept de cette configuration expérimentale facilitera les activités de recherche visant à dépasser les frontières actuelles de la détection quantique, en tirant parti des méthodes de détection par micro-ondes qui se caractérisent par une grande sensibilité et de faibles effets thermiques.

Réf :

[1] X. Zhou, et al, ‘High-Q Silicon Nitride Drum Resonators Strongly Coupled to Gates’. Nano Letters 21, no. 13 (juin 2021) : 5738–44. https://hal.science/hal-03263144/document

[2] A Pokharel, et al, ‘Coupling Capacitively Distinct Mechanical Resonators for Room-Temperature Phonon-Cavity Electromechanics‘, Nano Letters, 22, 7351 (2022) https://hal.science/hal-03651266/document

[3] H. Xu, et al, « Imaging nanomechanical vibrations and manipulating parametric mode coupling via scanning microwave microscopy », Nano Letters, 24, no.28, 8550 (2024). https://hal.science/hal-04651920