Transduction RF dans un système électromécanique supraconducteur sous biais DC

La mécanique quantique (MQ) et la relativité générale (RG) ont chacune connu un succès expérimental majeur, mais leur unification reste ardue. Notamment, la RG prévoit des temps propres différents pour des objets massifs en superposition spatiale, alors que la MQ suppose un temps unique. Cette tension a motivé des théories de décohérence gravitationnelle, où la fonction d'onde d'une masse délocalisée s'effondrerait selon son auto-énergie gravitationnelle. Les résonateurs mécaniques constituent une plateforme prometteuse pour sonder de telles hypothèses. Des membranes nanofabriquées, dotées de fortes fluctuations de point zéro et de longs temps de cohérence, peuvent répondre aux exigences de superposition spatiale et de faible décohérence environnementale. Pour les manipuler au niveau d'un seul phonon, on recourt à des circuits supraconducteurs assurant la création et la détection d'états non classiques. Une approche prometteuse est de coupler un mode mécanique de haute qualité, situé dans la gamme des mégahertz, à un composant supraconducteur basse fréquence, par exemple un qubit fluxonium “lourd”, conçu pour avoir une transition proche de quelques MHz, tout en maintenant une forte anharmonicité et une bonne cohérence. Cette thèse aborde les défis liés à l'intégration flip-chip submicronique d'une membrane en nitrure de silicium et d'un circuit supraconducteur. L'objectif est de montrer : (1) la faisabilité d'un écart faible et stable entre puces pour renforcer le couplage électromécanique ; (2) l'application d'une polarisation DC sans dégrader le bruit du circuit. Dans une expérience intermédiaire, nous remplaçons le qubit par un résonateur LC supraconducteur micro-onde et utilisons une membrane rectangulaire métallisée, résonant autour de 2-4 MHz. Nous sondons l'effet d'une tension DC et d'une excitation RF à la fréquence de la membrane pour amplifier son mouvement et le convertir dans la gamme micro-onde. Quatre résultats clés se dégagent : (i) les modes de la membrane apparaissent nettement dans le spectre de bruit du résonateur, surtout à forte polarisation ; (ii) l'analyse des décalages fréquentiels induits par la tension révèle un espacement d'environ un micromètre, à l'approche du submicronique ; (iii) la membrane reste bien thermalisée jusqu'à 10 mK sans isolation vibratoire complexe ; (iv) le bruit électrique près du continu (quelques nV/√Hz) est quantifié en comparant le bruit thermique et les fluctuations dues à la polarisation. Cela permet une électrométrie sensible, la membrane couplée au LC agissant comme un amplificateur linéaire aux fréquences vibratoires. Ces résultats valident d'importantes stratégies de fabrication, confirment une bonne thermalisation et mettent en évidence un couplage électromécanique robuste—des préalables essentiels avant l'intégration d'un qubit fluxonium mégahertzien. En améliorant encore le couplage et en réduisant le bruit, on pourra préparer de grands états quantiques mécaniques, ouvrant la voie à l'étude de la décohérence gravitationnelle via des superpositions macroscopiques. Les techniques développées ici constituent ainsi une base solide pour de futures recherches en acoustique quantique, métrologie de haute précision et tests fondamentaux de la gravité quantique.