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Thèse Année : 2014

Hybrid spin-nanomechanical systems in parametric interaction

Systèmes hybrides spino-nanomécaniques en interaction paramétrique

Sven Rohr
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 966334

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.
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Dates et versions

tel-01150728 , version 1 (11-05-2015)
tel-01150728 , version 2 (22-11-2016)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01150728 , version 1

Citer

Sven Rohr. Hybrid spin-nanomechanical systems in parametric interaction. Physics [physics]. Grenoble University, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01150728v1⟩
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