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Micro & nano oscillateurs à froid

Micro et nano oscillateurs mécaniques aux basses températures

 

Il existe à l’heure actuelle un réel engouement pour la réalisation expérimentale et l’étude de micro-systèmes électro-mécaniques (et même aujourd’hui de nano-systèmes). On parle de MEMS (pour "micro-electro-mechanical-systems" en anglais) ainsi que de NEMS ("nano-electro-mechanical-systems"). De tels micro-systèmes (la plupart réalisé en silicum mais d’autres matériaux sont utilisés comme le GaAs ou le diamant) ont de nombreuses applications technologiques, allant des micro-moteurs et autres micro-actionneurs et micro-détecteurs ("miroirs-switchs" d’un projecteur vidéo, accéléromètre d’un airbag, etc...), à des objets plus surprenants comme des puces électro-mécaniques dédiées à la biologie. En revanche les nano-systèmes sont à l’heure actuelle surtout un sujet d’étude, car au-delà de la difficulté de leur réalisation, la mesure d’un signal électrique relié à leur mouvement n’est pas une chose facile, et limite leur champ d’application directe.
L’étude de la micro et nano-mécanique de ces objets est évidemment un sujet de physique en soi  ; ainsi peut-on étudier les phénomènes de relaxation, et les comportements non-linéaires. Mais pourquoi étudier ces sytèmes particulièrement aux limites des plus basses températures ? Essentiellement pour trois raisons, qui articulent nos projets de recherche :

  • A basse température, les conditions physiques sont bien contrôlées et propices aux mesures de hautes qualités : le bruit électrique est plus faible qu’à l’ambiante, le vide dans les enceintes expérimentales est meilleur, les champs magnétiques utilisables sont plus élevés, et des matériaux supraconducteurs peuvent être utilisés. Enfin, les propriétés physiques des matériaux elles-mêmes sont souvent meilleures (moins de dissipation mécanique, raideurs plus grandes) et plus faciles à interpréter : uniquement les états de faible énergie sont peuplés. Ainsi, quelles que soient les propriétés micro ou nano-mécanqiue étudiées, les conditions physiques sont idéales.
  • Les systèmes micro et nano mécaniques peuvent être envisagés comme des sondes pour la physique des basses températures. Ils peuvent être utilisés pour étudier la supraconductivité, par exemple, en mesurant la force magnétique que l’état supraconducteur induit sur la structure lorsqu’elle est soumise à un champ magnétique. Pour nos études, ce qui nous intéresse c’est d’utiliser les MEMS et NEMS pour sonder les fluides quantiques et les propriétés mécaniques des matériaux solides qui les constitue. Par exemple, la dissipation mécanique de l’énergie à basse température est gouvernée par le "tunneling quantique" de systèmes à deux niveaux présents dans les structures. Cette physique, liée à la physique des verres, reste encore partiellement incomprise dans les NEMS. Pour ce qui est des fluides quantiques, les oscillateurs mécaniques sont essentiellement des viscosimètres. Différents types de mesures sont réalisées, comme par exemple celles décrites ci-dessus pour des fils vibrants-thermomètres. Un MEMS permettant de remplacer un tel thermomètre est présenté ci-dessous. Cette viscosimétrie des fluides quantiques s’est fortement développée à l’heure actuelle vers la turbulence quantique [22]. Dans ce régime, la turbulence générée dans le fluide est quantifiée. Le résonateur mécanique peut tout à la fois générer cette turbulence, et la détecter. Enfin, avec les NEMS il est à présent possible d’aller sonder l3He superfluide à une échelle de longueur de l’ordre de sa longueur de cohérence x0 : essentiellement la taille de la paire de Cooper qui représente l’état quantique très particulier du fluide. Nous nous sommes intéressés à la caractérisation mécanique à basse température de ces oscillateurs (typiquement de 100 µK à 30 K). Des tests préliminaires dans l’4He ont été réalisés [23], ainsi que dans l’3He superfluide B en collaboration avec l’Université de Lancaster.
    A titre d’alternative aux fils classiques, l’équipe de Helsinki à également proposé d’utiliser des diapasons de quartz (les mêmes que ceux donnant la base de temps des montres). De nombreuses équipes les ont adoptés, du fait de leur simplicité d’utilisation.
    Au-delà de l’étude des fluides (quantiques) à basse température, de la viscosimétrie, et de la thermométrie de précision, la réalisation d’oscillateurs de silicium aux géométries assez spéciales a comme application ("technologique") directe le projet ULTIMA (détection de la matière noire), par l’optimisation des bolomètres à 3He superfluide.
Silicon

A titre d’exemple, voici ci-contre un "fil vibrant de silicium" [18]. De tels oscillateurs pourraient supplanter les fils vibrants classiques pour réaliser des thermomètres très performants vers 100 µK.
Ces oscillateurs sont réalisés à partir d’un wafer de silicium, dans lequel on a percé une fenêtre (par attaque chimique) qui ne laisse qu’une fine membrane sur l’un des côtés (typiquement 10 µm). Cette membrane est recouverte de métal, et texturée par attaque ionique réactive (RIE). La structure oscillante est le portique ci-contre de silicium, recouvert d’une couche de métal (ici du niobium, supraconducteur à basse température).

Fil vibrant microfabriqué en silicium pour la thermométrie dans l’3He-B.
Ses caractéristiques mécaniques sont excellentes.

  • Les micro et nano-oscillateurs MEMS et NEMS étudiés aux plus basses températures sont avant tout des systèmes modèles pour qui s’intéresse à la mécanique en soi [24]. La dynamique non-linéaire, un domaine extrêmement riche, peut y être étudiée dans des conditions optimales. Dans le cas des NEMS, les fréquences de résonances obtenues sont très élevées (de 1 à 100 MHz typiquement), pour différents types de géométries et matériaux : des portiques silicium, ou des poutres doublement encastrées en nitrure de silicium (c.f. images ci-dessous). Ce dernier matériau a démontré des propriétés mécaniques exceptionnelles, et est maintenant beaucoup utilisé par la communauté NEMS.
    Si la température T est élevée vis-à-vis de la fréquence de résonance caractéristique d’un mode mécanique
    wn, alors beaucoup de phonons peuplent le mode en question et sa dynamique se décrira par la mécanique classique. A l’inverse, lorsque kB T<< h/(2p) wn le mode mécanique atteint la limite quantique. Les différents aspects fondamentaux de ces deux régimes sont discutés ci-dessous.
Silicon

Voici ci-contre un "fil vibrant de silicium, à l’échelle NEMS".
Ces oscillateurs sont réalisés à partir d’un wafer de SOI (silicon on insulator), dont la couche sacrificielle d’oxyde est gravée par une attaque chimique HF. Un métal est évaporé en pleine couche pour contacter le système (ici de l’aluminium).

Echantillon issu de la collaboration avec O. Bourgeois, Institut Néel. En haut, séparé par un intersice qui peut être ramené à moins de 100 nm, on distingue l’électrode de grille.

NEMS de même géométrie que les micro-oscillateurs déjà étudiés. La largeur/épaisseur de la structure est 200 nm, pour une longueur de environ 10 µm.

Silicon

Voici ci-contre une "poutre doublement encastrée NEMS".
Ces oscillateurs sont réalisés à partir d’un wafer de silicium recouvert de nitrure de silicium (silicon nitride), fortement contraint. Le silicium est gravé par une attaque chimique très sélective en XeF2. Un métal est évaporé en pleine couche pour contacter le système (ici de l’aluminium).

Echantillon issu de la collaboration avec O. Bourgeois, Institut Néel.En haut, séparé par un intersice qui peut être ramené à moins de 100 nm, on distingue l’électrode de grille.

NEMS en nitrure de silicium fortement contraint, en forme de poutre doublement encastrée. La largeur/épaisseur de la structure est 200 nm, pour une longueur de environ 15 µm.

Systèmes modèles : micro et nano-mécanique à basse température
Lorsqu’une dimension (au moins) du système est sub-micronique, on atteint le domaine de la nano-mécanique. Les questions posées par ces nouveaux objets sont multiples, avec par exemple : nos descriptions mécaniques sont elles encore valables à si petite échelle ? Peut-on à nouveau expliquer les régimes non-linéaires de ces nano-poutres simplement ? Que ce passera-t-il lorsque ces oscillateurs mécaniques seront assez froid pour théoriquement être dans leur état fondamental quantique de vibration ?

Notre équipe développe cette voie, en collaboration avec Olivier Bourgeois de l’Institut Néel (groupe thermodynamique des petits systèmes). Les structures peuvent être actionnées par la force de Lorentz (comme pour un fil vibrant), ou à l’aide d’une force électrique générée par une tension appliquée sur l’électrode de grille proche de la structure (c.f. images MEB ci-dessus). Dans ces études, la température devient un paramètre physique de contrôle, qui nous renseigne sur les mécanismes physiques sous-jacents.

 

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