Hybrid spin-nanomechanical systems in parametric interaction
Systèmes hybrides spino-nanomécaniques en interaction paramétrique
Résumé
Exploring the quantum properties of macroscopic objects has been a core challenge for
research in physics during the past decades. Proposed systems to reach this goal include hybrid devices
that couple a nanomechanical resonator to a single qubit. In particular, the implementation of spin
dependent forces represents a fundamental objective towards the creation of non-classical states of
motion. In this manuscript, we investigate a hybrid system coupling a nanomechanical oscillator and
a single electronic spin of a NV defect in magnetic interaction. We focus on the parametric interaction
case, when the mechanical motion modulates the qubit energy, and in particular when the driven
qubit and mechanical oscillators evolves on similar timescales. In that situation a synchronization
of the qubit dynamics onto the mechanical motion is observed. The phenomenon is first explored
on a test experiment where mechanical motion is replaced by a parametrically coupled RF field.
It allows to establish the main properties of the phenomenon, which is subsequently investigated
on the core experiment involving a true hybrid spin-mechanical system. It consists of a NV defect
attached at the vibrating extremity of a silicon carbide nanowire, immersed in a strong magnetic
field gradient. The spin state is hence coupled to the nanowire vibrations via Zeeman effect. The
bidimensional character of the nanowire deformations is responsible for novel vectorial signatures in
the synchronization mechanism, which can also be viewed as a phononic Mollow triplet as observed in
early quantum electrodynamics experiments. We finally explore the robustness of the synchronization
against the Brownian motion of the resonator and demonstrate the possibility to protect the qubit
against this additional decoherence source by applying a small coherent mechanical drive.
L’exploration des propriétés quantiques d’objets macroscopiques constitue l’un des défis
centraux de ces dernières décennies pour la recherche en physique. Parmi les stratégies proposées pour
atteindre cet objectif, les systèmes hybrides couplant un résonateur nanomécanique à un qubit unique
font figure de paradigme. En particulier, la mise en œuvre de forces dépendant de l’état du qubit
représente un objectif fondamental ouvrant la voie à la création d’états non-classiques du mouvement.
Dans ce manuscrit, nous considérons un système hybride constitué d’un oscillateur nanomécanique
et du spin électronique d’un unique centre NV, couplés entre eux par une interaction magnétique.
Nous nous concentrons sur leur couplage paramétrique, dans lequel la vibration mécanique module
l’énergie du qubit, et plus précisément sur le cas où la précession du qubit, générée par un champ
externe, et l’oscillation mécanique évoluent sur des échelles de temps comparables. Dans cette situation,
nos observations mettent en évidence une synchronisation de la dynamique du qubit sur l’oscillation
mécanique. Le phénomène est dans un premier temps abordé dans une expérience-test qui remplace
le mouvement mécanique par un champ radiofréquence en couplage paramétrique avec le spin. Cette
première implémentation permet de dégager les propriétés essentielles de l’effet paramétrique, qui est
dans un second temps observé sur un vrai système mécanique hybride. Dans cette seconde expérience,
un centre NV est attaché à l’extrémité oscillante d’un nanofil de carbure de silicium, immergé dans un
fort gradient de champ magnétique couplant ainsi par effet Zeeman l’énergie du qubit aux vibrations
du nanorésonateur. Le caractère bidimensionnel des déformations du nanofil octroie alors un caractère
vectoriel au mécanisme de synchronisation, qui peut aussi être interprété comme la manifestation d’un
triplet de Mollow phononique, en analogie avec le phénomène observé dans les premières expériences
d’électrodynamique quantique. Pour terminer, nous explorons la robustesse de la synchronisation vis-à-vis
du mouvement Brownien du résonateur, et démontrons la possibilité de protéger le qubit de cette
source de décohérence additionnelle grâce à une excitation mécanique cohérente de faible amplitude.