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Thèse Année : 2023

Nano-optomechanics of suspended SiC nanowires down to cryogenic temperatures : exploration of optical and photothermal responses

Nano-optomécanique des nanofils suspendus à basse température

Clement Gouriou
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1348666
  • IdRef : 27528154X

Résumé

Cooling down nanomechanical force probes is a generic strategy to enhance their sensitivities through the concomitant reduction of their thermal noise and mechanical damping rates. However, heat conduction mechanisms become less efficient at low temperatures, which renders difficult to ensure and verify their proper thermalization.To operate with minimally perturbing measurements, we implement optomechanical readout techniques operating in the photon counting regime to probe the dynamics of suspended silicon carbide nanowires in a dilution refrigerator.In order to understand the non-trivial light induced static heating curves observed on the nanowire motional noise temperature, we implemented dynamical photo-thermal response measurements based on a pump-probe scheme making use of two lasers, which can be piezo-positioned at different positions along the nanowire. The intensity-modulated pump laser generates thermal waves which propagate along the nanowire, while their impact on the nanowire mechanical, optical and photothermal properties is investigated with the second probe laser. We discuss the different mechanisms at play which include in particular temperature induced nanowire reactivity changes, photothermal response, thermal elongation, frequency shifts and radiation pressure forces.In this work we first present the study of the interaction of our 3C-SiC nanowires with the incident light, where internal Mie resonances strongly govern and enhance their optical and photo-thermal properties. We designed an experimental setup to directly image the orthoradial distribution of the light field scattered by our nanowires in the visible domain. We adjust the measured diagrams to theoretical predictions based on the Mie scattering by cylindrical particles, thus providing a quantitative estimation of the diameters of our subwavelength-sized nanowires. Separate measurements also allowed to directly measure the contribution of those internal Mie resonances in the structuration of the light absorption efficiency.In a second time we describe the experimental setup designed for measuring the mechanical and thermal properties of nanowires from room to cryogenic temperatures. We present the different photo-thermal mechanism at play in the system and the characterisation techniques used in the pump-probe configuration. Measurements allowed to investigate the propagation of heat waves within the nanowires and discriminate between the different regimes dominating their photothermal response at room and cryogenic temperatures.This work opens the road for a better characterisation of the nanowires’ photo-thermal properties which are important to control before operating the nanowires as ultrasensitive vectoral force field sensors of faint forces at dilution temperatures.
Le refroidissement des sondes de force nano-mécaniques est une stratégie générique visant à améliorer leur sensibilité grâce à la réduction concomitante de leur bruit thermique et de leur taux d'amortissement mécanique. Cependant, les mécanismes de conduction thermique deviennent moins efficaces à basse température, ce qui rend difficile d'assurer ainsi que de vérifier leur bonne thermalisation.Pour réaliser des mesures avec un minimum de perturbation, nous mettons en œuvre des techniques de lecture opto-mécanique fonctionnant dans le régime de comptage de photons afin de sonder la dynamique des nanofils de carbure de silicium en suspension, dans un cryostat à dilution.Afin de comprendre les courbes de chauffage statique non triviales (chauffage induit par la lumière et observées sur la température du bruit de mouvement du nanofil) nous avons mis en œuvre des mesures de réponse photo-thermique dynamique basées sur une méthode pompe-sonde utilisant deux lasers, qui peuvent être piézo-positionnés à différentes altitudes le long du nanofil. La modulation de l’intensité du laser de pompe génère des ondes thermiques qui se propagent le long du nanofil, tandis que leur impact sur les propriétés mécaniques, optiques et photo-thermiques du nanofil est étudié à l'aide du second laser de sonde. Nous examinons les différents mécanismes en jeu, notamment les changements de réactivité des nanofils induits par la température, la réponse photo-thermique, l'élongation thermique, les changements de fréquence et les forces de pression de radiation.Dans ce travail, nous présentons d'abord l'étude de l'interaction de nos nanofils 3C-SiC avec la lumière incidente, dont les résonances de Mie internes régissent et améliorent fortement les propriétés optiques et photo-thermiques des nanofils. Nous avons conçu un dispositif expérimental pour obtenir une image directe de la distribution ortho-radiale du champ lumineux diffusé par nos nanofils dans le domaine du visible. Nous ajustons les diagrammes mesurés aux prédictions théoriques basées sur la diffusion de Mie par des particules cylindriques, fournissant ainsi une estimation quantitative des diamètres de nos nanofils de taille inférieure à la longueur d'onde. Des mesures séparées ont également permis de mesurer directement la contribution de ces résonances de Mie internes dans la structuration de l'efficacité d'absorption de la lumière.Dans un deuxième temps, nous décrivons le dispositif expérimental conçu pour mesurer les propriétés mécaniques et thermiques des nanofils, partant de la température ambiante jusqu’à des températures cryogéniques. Nous présentons les différents mécanismes photo-thermiques en jeu dans le système et les techniques de caractérisation utilisées dans la configuration pompe-sonde. Ces mesures ont permis d'étudier la propagation des ondes de chaleur à l'intérieur des nanofils et de distinguer les différents régimes qui dominent leur réponse photo-thermique à des températures ambiantes et cryogéniques.Ce travail ouvre la voie vers une meilleure caractérisation des propriétés photo-thermiques des nanofils, qu'il est important de contrôler avant d'utiliser les nanofils comme capteurs vectoriels ultrasensibles de forces faibles à des températures de dilution.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04444724 , version 1 (07-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04444724 , version 1

Citer

Clement Gouriou. Nano-optomechanics of suspended SiC nanowires down to cryogenic temperatures : exploration of optical and photothermal responses. Physics [physics]. Université Grenoble Alpes [2020-..], 2023. English. ⟨NNT : 2023GRALY053⟩. ⟨tel-04444724⟩

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