Controlled dynamics of a levitated nanoparticle in a tailored optical potential - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

Controlled dynamics of a levitated nanoparticle in a tailored optical potential

Maîtrise de la dynamique d'une nanoparticule en lévitation dans un potentiel optique contrôlé

Damien Raynal
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1364971
  • IdRef : 273178229

Résumé

Optical levitation of nanoparticles in vacuum emerged over the last decade as an attractive platform to study various phenomena, such as fundamental interactions, quantum physics at the mesoscale, as well as out-of-equilibrium nano-thermodynamics. A critical advantage of this approach over competing systems is the unprecedented control that can be enforced on the levitated particle and its environment. In this context, being able to finely tune the trapping potential in time and space would represent a welcomed addition to the existing toolbox, allowing for example the generation of non-Gaussian statistics.One goal of this thesis is to study out-of-equilibrium dynamics in the underdamped regime, which is of fundamental and practical interest since most nano-mechanical systems are operated in this regime.The stochastic nature of the thermodynamic processes at play were first probed by studying the relaxation of a levitating particle between two thermal equilibria. This highlighted the existence of a characteristic relaxation timescale, corresponding to the time necessary for the particle to dissipate its excess energy to the surrounding bath.Subsequently, shortcuts to equilibrium protocols were implemented and tested for the first time in the underdamped regime, enabling an acceleration of the relaxation time of the particle by more than one order of magnitude. Further, these protocols proved to be robust to fluctuations for modest accelerations.Next, the generation and characterization of arbitrarily shaped potentials was explored, at first to extend the study of thermodynamic processes to the case of non-harmonic potentials, where nonlinearities come into play.The superposition of multiple beams diffracted by an acousto-optic modulator was used to generate various potentials, from harmonic through flat to double-well geometries, thus allowing to tune their nonlinearities. To reconstruct unambiguously the real potential shape from the particle dynamics, the range of detection was extended five-fold by an original use of the Unscented Kalman filter, thus covering the full extent of the potential.This work paves the way for the study of general state-to-state transformations between tailored potentials, and opens a new playground to study thermodynamics at the nanoscale.
Au cours de la dernière décennie, la lévitation de nanoparticules dans le vide s'est illustrée comme une plateforme de choix pour l'étude de nombreux phénomènes, parmi lesquels les interactions élémentaires, la physique quantique à l'échelle mésoscopique, ainsi que la nano-thermodynamique hors d'équilibre. Comparée à d'autres systèmes, un atout majeur de cette approche réside dans le contrôle remarquable qu'il est possible d'exercer sur la nanoparticule et son environnement. Dans ce contexte, la maîtrise complète de l'évolution spatio-temporelle du potentiel de piégeage constituerait un ajout significatif aux techniques existantes, en permettant par exemple la génération de statistiques non gaussiennes.L'un des objectifs de cette thèse est l'étude de la dynamique hors d'équilibre dans le régime sous-amorti, dont l'importance est à la fois fondamentale et pratique, étant donné qu'une grande partie des systèmes nano-mécaniques opère dans ce régime.La nature stochastique des processus thermodynamiques à l'œuvre a d'abord été étudiée à travers la relaxation d'une particule en lévitation entre deux équilibres thermiques. A ainsi été mis en lumière un temps de relaxation caractéristique, correspondant au temps nécessaire à la dissipation de l'énergie de la particule dans son environnement.Par la suite, des protocoles de raccourcis vers l'équilibre ont pour la première fois été implémentés et testés dans le régime sous-amorti, permettant d'accélérer le retour à l'équilibre de la particule d'un ordre de grandeur. Pour de modestes accélérations, ces protocoles se sont de plus avérés robustes aux fluctuations.La génération et la caractérisation de potentiels de formes arbitraires ont ensuite été explorées, avec comme objectif initial d'étendre l'étude de processus thermodynamiques au cas de potentiels non harmoniques, pour lesquels les non-linéarités entrent en jeu.À l'aide d'un modulateur acousto-optique permettant de générer une superposition de faisceaux diffractés, différents potentiels ont ainsi été générés : harmoniques, plat, double puits... permettant un ajustement des non-linéarités. Pour reconstituer de façon non ambiguë la forme réelle du potentiel à partir de la dynamique de la particule, une utilisation originale du filtre de Kalman sans parfum a permis d'étendre la détection d'un facteur cinq, couvrant ainsi toute l'étendue du potentiel.Ce travail ouvre la voie à l'étude de transformations générales d'état à état entre potentiels arbitraires, et offre de nouvelles perspectives à l'étude de la thermodynamique à l'échelle nanométrique.
Fichier principal
Vignette du fichier
125040_RAYNAL_2023_archivage.pdf (20.86 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04510266 , version 1 (18-03-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04510266 , version 1

Citer

Damien Raynal. Controlled dynamics of a levitated nanoparticle in a tailored optical potential. Data Analysis, Statistics and Probability [physics.data-an]. Université Paris-Saclay, 2023. English. ⟨NNT : 2023UPASP126⟩. ⟨tel-04510266⟩
34 Consultations
4 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More