Non-linear dynamics in nano-electromechanical systems at low temperatures
Dynamique non-linéaire dans les systèmes nano-électromécaniques à basses températures
Résumé
The investigation of non-linear dynamics intrinsically opens access to a broad field of researches, and Nano-Electro-Mechanical Systems (NEMS) are valuable tools for this purpose. In the present manuscript, we emphasize the fundamental applications of non-linear nano-resonators for condensed matter. After a careful calibration of our peculiar experimental set-up, we characterise the relevant parameters associated to the resonance of our devices, notably the Duffng non-linearity which is the essence of coupling mechanisms between distinct modes of the system. We present two new schemes emerging from the mode-coupling technique, using a two-tone drive but actuating a single flexural mode: a high detection precision procedure and an amplification together with a non-linearity cancellation process of the initial resonator’s response. The Duffng regime also opens an hysteresis within the resonance line of the NEMS, and the device is then employed as a model system for the associated bifurcation process. We explored numerically and experimentally this physical phenomenon and found that both the non-linear behaviour and the universal power laws described in the general theory are still valid far beyond any analytical predictions. We finally describe different techniques using NEMS as sensors to measure fundamental features of condensed matter physics, like signatures of two level systems within the resonator’s material or slippage in a rarefied gas.
L’étude des systèmes non-linéaires ouvre un large champ d’investigation en recherche fondamentale, dans cette optique les Systèmes Nano-Electro-Mécanique (NEMS) sont des outils de premier choix. Ce manuscrit met en avant l’utilisation des propriétés non-linéaires de nano-résonateurs pour la physique fondamentale. À la suite d’une calibration rigoureuse de notre dispositif expérimental, nous avons caractérisé les principaux paramètres associés à la résonance de nos structures avec, en particulier, la non-linéarité de Duffng qui est à la source des mécanismes de couplage entre les différents modes de notre système. Deux nouveaux procédés expérimentaux utilisant une excitation à deux tons sont présentés, émergeant du couplage entre modes mais en stimulant un seul mode résonant : un système de détection à haute précision et une technique d’amplification du signal réduisant la non-linéarité apparente du résonateur. Le régime de Duffng engendre également l’ouverture
d’une hystérésis au sein de la courbe de résonance du NEMS, configuration qui est alors utilisée comme système modèle pour le phénomène de bifurcation. Nous démontrons, numériquement et expérimentalement, que le comportement non-linéaire et les lois de puissances universelles décrites par la théorie sont valides au-delà des prédictions attendues. Différentes techniques expérimentales sont finalement présentées, utilisant les NEMS afin de détecter des caractéristiques fondamentales de la matière condensée, comme les signatures des systèmes à deux niveaux présents au sein des nano-résonateurs ou les propriétés de glissement dans un gaz raréfié.