Le but de cette thèse est d'atteindre l'état de mouvement fondamental sur des disques optomécaniques en arseniure de gallium. La mécanique quantique prévoit en effet que la quantité d'énergie d'un système physique (mécanique ou autre) ne peut jamais être réduite totalement à zéro. Il existe cependant un état de plus basse énergie, que l'on appelle l'état fondamental. L'effet physique utilisé pendant cette thèse pour extraire de l'énergie du système (et ainsi atteindre l'état fondamental) est le couplage opto-mécanique. Les micro-disques supportent des résonances optiques à symétrie axiale appelées modes de galerie ainsi que des résonances mécaniques appelées modes de respiration. Le couplage entre ces deux modes peut être intuitivement compris comme suit: lorsque le disque "respire" mécaniquement, la circonférence du disque ressentie par le mode optique change, ce qui induit un décalage de sa longueur d'onde de résonance. A l'inverse, le mode optique exerce une pression de radiation sur les parois du disque, qui peut amplifier ou atténuer le mouvement mécanique. Le refroidissement opto-mécanique est d'autant plus efficace que les résonances (optique comme mécanique) ont de faibles taux de dissipation. Une grande partie de ce travail de thèse à donc été dédiée à la réduction de ces pertes. Des efforts technologiques ont permis d'obtenir des structures lisses et régulières, pour éviter la diffusion (et donc la dissipation) de lumière par rugosités. Afin de réduire la dissipation mécanique, une structure novatrice incluant des boucliers mécaniques à été développée, et à permis de réduire la dissipation mécanique d'un facteur 100. L'état du système après refroidissement opto-mécanique dépend par ailleurs de sa température initiale. Il est donc avantageux de placer l'échantillon dans un cryostat. L'appareil utilisé au cours de cette thèse permet de refroidir l'échantillon jusqu'à une température de 2,6 K. Les expériences de photonique en environnement cryogénique imposant des contraintes en terme de stabilité, il a été nécessaire de d'opter pour une approche avec guide d'onde intégré. Le développement de guides d'ondes entièrement suspendus a permis d'apporter et de collecter la lumière depuis le disque de manière optimale. Toutes ces efforts ont permis de descendre à un taux d'occupation mécanique de 30 quanta. Cependant de nombreuses améliorations peuvent encore être implémentées, afin d'ancrer ces résonateurs fermement dans l'état fondamental, ce qui permettrait d'effectuer par exemple des expériences d'intrication quantique / The main goal of this PhD work has been to reach the quantum ground state on gallium arsenide optomechanical disks. Quantum mechanics predict that the amount of energy within a given system cannot be brought to zero. Nevertheless a state of minimal energy exists, called the ground state. The physical mechanism used to extract energy from the system (and thus reach the ground state) is the optomechanical coupling. The miniature disks support optical and mechanical resonances, respectively called whispering gallery modes and radial breathing modes. The coupling between these two modes can be intuited as follows: when the disk breathes mechanically, its perimeter increases. The optical mode evolves now in a wider cavity, and its resonance wavelength therefore changes. Conversely, the optical mode exerts radiation pressure on the disk boundaries, which can either amplify or damp the mechanical motion. Optomechanical cooling is more efficient if the dissipation rates of the optical and mechanical resonances are low. An important part of this PhD work has therefore been dedicated to the reduction of dissipation. Technological efforts have been made to fabricate smooth and regular structures, so as to limit optical scattering. A novel approach consisting of a mechanical shield has allowed to reduce mechanical damping by a factor of 100. The system state after optomechanical cooling depends on its initial temperature. It is therefore advantageous to place the system in cryogenic environment prior to starting the optomechanical cooling. The apparatus used throughout this PhD work can cool the optomechanical device down to 2.6 K. As optical experiments in cryogenic environment require a good mechanical stability, it is necessary to opt for fully integrated devices where the optomechanical resonator and the waveguide bringing the light to it are processed on the same chip. The development of fully suspended waveguides has moreover allowed to inject and collect light from the device more efficiently. All these improvements have allowed to reach a state of 30 excitation quanta in the mechanical resonator. However many ideas can still be tried to keep enhancing the devices, so as to anchor them more firmly in the ground state. This would open the way to more advanced experiments, such as entanglement of mechanical oscillators

The recent demonstration of strong interactions between optical force and mechanical motion of an optomechanical structure has led to the triumphant result of mechanical ground-state cooling, where the quantum nature of a macroscopic object is revealed. Another intriguing demonstration of quantum physics on a macroscopic level is the measurement of the Casimir force which is a manifestation of the zero- point energy. An interesting aspect of the Casimir effect is that the anharmonicity of the Casimir potential becomes significant when the separation of microscale objects is in the sub-100nm regime. This regime is readily accessible by many of the realized gradient-force-based optomechanical structures. Hence, a new avenue of probing the Casimir effect on-chip all-optically has become available. We propose an integrated optomechanical platform, consisting of a suspended photonic crystal membrane evanescently coupled with a silicon-on-insulator substrate, for (i) measuring the Casimir force gradient and (ii) counteracting the attractive force by exerting a resonantly enhanced repulsive optical gradient force. This thesis first presents the full characterization of the optomechanical properties of the system in vacuo. The interplay of the optical gradient force (optomechanical coupling strength \(g_{om}/2\pi=- 66GHz/nm\)) and the photothermal force manifested in the optical spring effect and dynamic backaction is elucidated. Static displacement by the repulsive force of 1nm/mW is also demonstrated. In the second part of the thesis, the nonlinear mechanical signatures upon a strong coherent drive are reported. By resonantly driving the photonic crystal membrane with a piezo-actuator and an optical gradient force, we observed mechanical frequency mixing, mechanical bistability and non-trivial interactions of the Brownian peak with the driving signal. Finally we present our recent progress in establishing electro- static control of individual photonic crystal membranes to reduce and calibrate the electrostatic artifact which plagues Casimir measurements. The results discussed in this thesis point towards an auspicious future of a complete realization of a Casimir optomechanical structure and novel applications with nonlinearity afforded by the Casimir force and the optical gradient force. / Engineering and Applied Sciences

Le but de la Nano- Opto- Mécanique et Electronic à base de graphène est d'utiliser des membranes de graphène en suspension comme blocs de construction pour aborder le couplage entre l'optique, la mécanique et l'électronique dans ce nouveau matériau. Avec un module d'Young similaire à celui du diamant (1 TPA), le graphène est une membrane extrêmement rigide, légère et mince (epaaisseur de seulement un atome) qui peut supporter son propre poids sans effondrement ou la rupture lorsqu'il est suspendu. Ces membranes, intégrées dans des dispositifs mécaniques, peuvent être actionnés à partir de DC jusqu'à des fréquences de vibration mécaniques très élevées (GHz). En outre, le graphène est un gaz d'électrons 2D exposé pour lequel une porte électrostatique tunes considérablement la densité de porteurs de charge et ses propriétés optiques. Last but not least, il offre une architecture unique pour effectuer la fonctionnalisation physico-chimiques et obtenir des matériaux hybrides combinant les propriétés particulières des espèces chimisorbées avec ceux du graphène. / The aim of the Graphene Nano- Opto- Mechanics and Electronics is to use suspended graphene membranes as building blocks to address the coupling of optics, mechanics and electronics in this novel material. With a Young modulus similar to that of diamond (1 TPa), graphene is an extremely stiff, light and atomically thin membrane that can withstand its own weight without collapsing or breaking when suspended. Such membranes, integrated as mechanical devices, can be actuated from DC up to very high mechanical vibration frequencies (GHz). Moreover, graphene is an exposed 2D electron gas for which an electrostatic gate dramatically tunes the charge carrier density and its optical properties. Last but not least, it provides a unique architecture to perform physico-chemical functionalization and obtain hybrid materials combining the peculiar properties of adsorbed and chemisorbed species with the graphene ones.

Cette thèse s’inscrit dans le domaine de l'opto-mécanique et propose l'utilisation de différentes techniques de mesure et de manipulation des propriétés mécaniques de nano-structures.La première partie de ce travail est dédiée aux fils photoniques. Ces objets sont des structures en GaAs en forme de cône inversé, avec une longueur d’une dizaine de µm et un diamètre inférieur au µm, contenant une couche de boîtes quantiques à l'intérieur. Nous avons démontré une méthode de réglage statique du spectre de photoluminescence de ces boîtes quantiques sensibles à la contrainte, en utilisant des nano-manipulateurs pour contraindre mécaniquement les fils. De plus, grâce à la dépendance spatiale du décalage spectral, il est possible d’établir une carte de la position des boîtes quantiques.La deuxième partie de ce travail concerne la mise en mouvement de ces fils photoniques à l’aide d’un faisceau laser modulé à la fréquence de résonance mécanique. Les mécanismes physiques à l’origine de ces effets sont présentés et discutés.Dans la troisième partie, nous présentons une méthode permettant l’observation d'oscillations mécaniques de nano-fils fins (moins de 50 nm de diamètre) en utilisant un microscope électronique à balayage. Cette méthode originale offre la possibilité de contrôler de nombreux types de structures micro et nano-électromécaniques, dont la détection du mouvement n’est pas possible optiquement en raison de la limite de diffraction de la lumière. De plus, cette méthode permet également d'agir sur les propriétés mécaniques des structures via une force de contre-réaction qui devient non négligeable pour ces structures très légères. Cela ouvre la possibilité d'études fondamentales complémentaires liées au refroidissement du mouvement mécanique. / This thesis is related to the field of opto-mechanics and the use of different techniques for the measurement and manipulation of mechanical properties of nano-structures.First part of the work is dedicated to the photonic wires. These objects are GaAs structures with an inverted conical shape of length of the order of 10 µm and diameter of less than 1 µm, containing a layer of InAs quantum dots inside. Wide-range static stress-tuning of quantum dots photoluminescence spectrum was demonstrated using nano-manipulators to bend the wires. Additionally, owing to the spatial dependence of the spectral shift, this technique offers the possibility of QD positions mapping.The second part of this work concerns the optical actuation of these photonic wires. A laser beam focused on the wire and modulated at the mechanical resonance frequency can set the wire in motion. The physical mechanisms responsible for these effects are presented and discussed.In the third part is presented a method enabling the detection of mechanical oscillations of small (less than 50 nm in diameter) nanowires with the use of a Scanning Electron Microscope. This original method offers a possibility to detect the motion of many types of micro- and nano-electromechanical devices which are too small to be detected optically owing to light diffraction limit.Moreover, this method also affects the mechanical properties of the structures via a back-action force that becomes non-negligible for such small devices. It opens up the possibility for further fundamental studies related to cooling of the mechanical motion.

La thermodynamique a été développée au XIXe siècle pour décrire la physique des moteurs et autres machines thermiques macroscopiques. Depuis lors, le progrès des nanotechnologies a rendu nécessaire d'étendre ces lois, initialement pensées pour des systèmes classiques, aux systèmes obéissant à la mécanique quantique. Durant cette thèse, j'ai mis en place un formalisme pour étudier la thermodynamique stochastique des systèmes quantiques, dans lequel la mesure quantique occupe une place centrale: à l'instar du bain thermique de la thermodynamique statistique classique, la mesure est ici la source première d'aléatoire dans la dynamique. Dans un premier temps, j'ai étudié la mesure projective comme une transformation thermodynamique à part entière. J'ai montré que la mesure cause un changement incontrôlé de l'énergie du système quantique étudié, que j'ai appelé chaleur quantique, ainsi qu'une production d'entropie. Comme application de ces concepts, j'ai proposé un moteur qui extrait du travail à partir des fluctuations quantiques induites par la mesure. Ensuite, j'ai étudié les mesures généralisées, ce qui a permis de décrire des systèmes quantiques ouverts. J'ai défini les notions de travail, de chaleur, et de production d'entropie pour une réalisation unique d'une transformation thermodynamique, et retrouvé que ces quantités obéissent à des théorèmes de fluctuation. Ce formalisme m'a permis d'analyser le comportement thermodynamique de la situation canonique de l'optique quantique : un atome à deux niveaux en couplé à un laser et au vide électromagnétique. Enfin, j'ai étudié une plate-forme prometteuse pour tester la thermodynamique d'un Qubit : un système hybride optomécanique.Le formalisme développé dans cette thèse peut être d'un grand intérêt pour la communauté de thermodynamique quantique car il permet de caractériser les performances des machines thermiques quantiques et de les comparer à leurs analogues classiques. En outre, en caractérisant la mesure quantique comme un processus thermodynamique, il ouvre la voie à de nouveaux types de machines thermiques, exploitant d'une manière inédite les spécificités du monde quantique. / Thermodynamics was developed in the XIXth century to provide a physical description to engines and other macroscopic thermal machines. Since then, progress in nanotechnologies urged to extend these formalism, initially designed for classical systems, to the quantum world. During this thesis, I have built a formalism to study the stochastic thermodynamics of quantum systems, in which quantum measurement plays a central role : like the thermal reservoir of standard stochastic thermodynamics, it is the primary source of randomness in the system's dynamics. I first studied projective measurement as a thermodynamic process. I evidenced that measurement is responsible for an uncontroled variation of the system's energy that I called quantum heat, and also a production of entropy. As a proof of concept, I proposed an engine extracting work from the measurement-induced quantum fluctuations. Then, I extended this formalism to generalized measurements, which allowed to describe open quantum systems (i.e. in contact with reservoirs). I defined work, heat and entropy production for single realizations of thermodynamic protocols, and retrieved that these quantities obey fluctuation theorems. I applied this formalism to the canonical situation of quantum optics, i.e. a Qubit coupled to a laser and a the vacuum. Finally, I studied a promising platform to test Qubit's thermodynamics: a hybrid optomechanical system.The formalism developed in this thesis could be of interest for the quantum thermodynamics community as it enables to characterize quantum heat engines and compare their performances to their classical analogs. Furthermore, as it sets quantum measurement as a thermodynamic process, it pave the ways to a new kind of thermodynamic machines, exploiting the specificities of quantum realm in an unprecedented way.

We study different phenomena associated with single-photon propagation in optical cavities coupled through optical fibers. We first address the issue of storing and delaying single-photon wavepackets in an array of microcavities. This has possible applications in developing reliable and efficient quantum repeaters that will be utilized in building long distance quantum networks. Second, we investigate a Hong-Ou-Mandel (HOM) type of interference between two photons that are produced in two coupled atom-cavity systems. The HOM effect in this setup can test the degree of indistinguishability between photons when they are stored inside cavities. This part of the dissertation also includes the study of entanglement between atoms, cavities and atom-cavity systems induced by the photons. Finally, we focus on single-photon interactions with a tiny movable mirror in the context of quantum optomechanics. We investigate how the mechanical motion of the mirror leaves its imprints on the optical spectrum of the photon This dissertation includes previously published and unpublished co-authored material. / 10000-01-01

abstract: Conductance fluctuations associated with quantum transport through quantumdot systems are currently understood to depend on the nature of the corresponding classical dynamics, i.e., integrable or chaotic. There are a couple of interesting phenomena about conductance fluctuation and quantum tunneling related to geometrical shapes of graphene systems. Firstly, in graphene quantum-dot systems, when a magnetic field is present, as the Fermi energy or the magnetic flux is varied, both regular oscillations and random fluctuations in the conductance can occur, with alternating transitions between the two. Secondly, a scheme based on geometrical rotation of rectangular devices to effectively modulate the conductance fluctuations is presented. Thirdly, when graphene is placed on a substrate of heavy metal, Rashba spin-orbit interaction of substantial strength can occur. In an open system such as a quantum dot, the interaction can induce spin polarization. Finally, a problem using graphene systems with electron-electron interactions described by the Hubbard Hamiltonian in the setting of resonant tunneling is investigated. Another interesting problem in quantum transport is the effect of disorder or random impurities since it is inevitable in real experiments. At first, for a twodimensional Dirac ring, as the disorder density is systematically increased, the persistent current decreases slowly initially and then plateaus at a finite nonzero value, indicating remarkable robustness of the persistent currents, which cannot be discovered in normal metal and semiconductor rings. In addition, in a Floquet system with a ribbon structure, the conductance can be remarkably enhanced by onsite disorder. Recent years have witnessed significant interest in nanoscale physical systems, such as semiconductor supperlattices and optomechanical systems, which can exhibit distinct collective dynamical behaviors. Firstly, a system of two optically coupled optomechanical cavities is considered and the phenomenon of synchronization transition associated with quantum entanglement transition is discovered. Another useful issue is nonlinear dynamics in semiconductor superlattices caused by its key potential application lies in generating radiation sources, amplifiers and detectors in the spectral range of terahertz. In such a system, transition to multistability, i.e., the emergence of multistability with chaos as a system parameter passes through a critical point, is found and argued to be abrupt. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Electrical Engineering 2016

Cette thèse s'inscrit dans la thématique de la nano-optomécanique et de l'emploi de nanorésonateurs mécaniques comme sonde de force ultrasensible pour étudier leur interaction avec la lumière. Pour cela, un nanofil de carbure de silicium est positionné dans un faisceau laser fortement focalisé. Cela permet, en mesurant les fluctuations de l'intensité transmise, d'observer avec grande dynamique et une sensibilité proche de la limite quantique standard le mouvement Brownien du nanorésonateur. La grande sensibilité en force des nanofils, inhérente à leur très faible masse, permet d'étudier l'action en retour de la mesure, c'est-à-dire la force exercée par le laser focalisé sur le nanofil. L'exploitation de la légère levée de dégénérescence observée entre les deux polarisations mécaniques transverses permet de réaliser une cartographie vectorielle bidimensionnelle du champ de force optique, avec une sonde de diamètre sub-longueur d'onde. Cette mesure permet également de mettre en évidence le caractère non-conservatif de l'interaction lumière-matière, dont la signature emblématique est l'existence de vorticité dans le champ de force mesuré. Ce dernier présente de très fortes variations spatiales, qui modifient profondément la dynamique du nanofil. Cette action en retour de la mesure est responsable d'un fort couplage entre les deux polarisations mécaniques du mode fondamental du nanofil. Le caractère bidimensionnel du couplage ainsi que la topologie non-conservative du champ de force conduisent à une bifurcation et à une instabilité dynamique du nanofil. Cette nouvelle instabilité optomécanique est observée avec des forces optiques instantanées, qui suivent instantanément les variations d'intensités vues par le nanofil. En présence d'absorption, le cas plus général d'un champ de force partiellement retardé par les constantes de temps thermiques est également étudié, conduisant à un refroidissement, spécifique et accordable en position, des deux polarisations mécaniques. Enfin l'interaction lumière-matière entre le laser et le nanofil et la grande variété des propriétés optomécaniques accessibles à cette approche sont développés. Ces développements démontrent la possibilité d'observer et de contrôler optiquement des nanorésonateurs mécaniques de très grande sensibilité, proche de l'attonewton, pour des mesures vectorielles ultrasensibles de champ de force. / This thesis is related to the field of nano-optomechanics and the use of nanomechanical resonators as ultrasensitive force sensor to study their interaction with light. A silicon carbide nanowire is positioned in a tightly focused laser beam. This enables, by measuring the transmitted intensity fluctuations, to observe with great dynamics and with a sensitivity close to the standard quantum limit the Brownian motion of the nanoresonator. The huge force sensitivity of the nanowires, due to their ultra low mass, permits to study the measurement backaction, which is induced by the force exerted on the nanowire by the focused laser beam. The exploitation of the slight degeneracy observed between the two transverse mechanical polarizations enables to realize a vectorial bidimensional cartography of the optical force field, with a probe of sub-wavelength diameter. This measurement highlights the non-conservative feature of the light-matter interaction, a symbolic signature being the existence of vorticity in the measured force field. The latter shows strong spatial variations, which modify deeply the nanowire dynamics. This measurement backaction is responsible of a strong coupling between the two mechanical polarizations of the nanowire fundamental mode. The bidimensional feature of the coupling and the force field non-conservative topology lead to a bifurcation and to a dynamical instability of the nanowire. This new optomechanical instability is observed with instantaneous optical forces, which follows instantaneously the intensity variations seen by the nanowire. In presence of absorption, a more general case of a force field partially delayed by the thermal time constants is studied, leading to a cooling, specific and tunable with the position, of the two mechanical polarizations. Then, the light-matter interaction between a laser and the nanowire and the great variety of optomechanical properties accessible with this approach are developed. These developments demonstrate the ability to observe and control optically nanomechanical resonators with a huge sensitivity, close to the attonewton, for ultrasensitive measurements of vectorial force fields.

Les nonlinéarités dans les systèmes nanomécaniques peuvent provenir d’effets dispersif ou dissipatif et ce dans divers systèmes (résistifs, inductifs et capacitifs). Au-delà de l’intérêt fondamental pour tester la réponse dynamique d’un système non-linéaire à plusieurs dégrées de libertés, les nonlinéarités de tels systèmes ouvre la voie vers des capteurs nanomécanique et le traitement du signal. Le résonateur nanomécanique dont la réponse nonlinéaire est étudié, est une membrane suspendue à cristal photonique bidimensionnel utilisée comme miroir déformable. Sa faible masse et sa haute réflectivité en font un candidat idéal pour l’électro-opto-mécanique. L’actuation d’une telle membrane dans le domaine fréquentiel du MHz est rendu possible par des électrodes inter-digitées en dessous de la membrane assurant ainsi l’uniformité de la force d’actuation sur cette dernière. La fabrication de telles structures est basée sur l’intégration hétérogène 3D.La force électrostatique qui s’applique sur la membrane induit des non-linéarités mécaniques avec notamment un effet bistable, des résonances superharmoniques et des résonances stochastiques.La membrane est mise en mouvement par un potentiel électrique V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), où Vdc est l’amplitude du courant continu, Vac l’amplitude du courant alternatif à la fréquence d’excitation w;. Le système se comporte alors comme une capacité de sorte que la force qui s’applique sur la membrane varie de manière quadratique avec la tension appliquée. Selon la tension DC ou AC, le comportement de la structure est différent. L’augmentation de la tension DC induit une augmentation de la tension de polarisation sur le matériau qui par conséquent modifie la fréquence propre de la membrane. Tandis que l’augmentation de la tension AC cause l’augmentation de l’amplitude des oscillations de la membrane pouvant aller jusqu’à atteindre le régime non-linéaire.Dans une première série de mesure, la membrane est excitée à la résonance avec une fréquence w; égale à la fréquence du mode mécanique fondamental wm. A partir de la réponse fréquentielle du système, il est possible d’identifier différents modes mécaniques de la membrane sondé optiquement. Pour une excitation plus importante, il est possible d’observer des effets de bistabilité mécanique. Ces non-linéarités sont dues à l’élongation au niveau des points d’ancrage de la membrane.La méthode la plus commune pour agir sur la membrane est l’excitation proche de la résonance fondamentale. Cependant la technique de la résonance superharmonique peut également être utilisée. Cela consiste à appliquer la fréquence d’excitation w; à une fréquence égale à wm/n où n est un entier. La possibilité d’utiliser cette technique est fortement dépendante des nonlinéarités présentes dans le système. Ainsi, l’existence d’une résonance super harmonique à wm/n résulte de la présence d’une nonlinéarité d’ordre n. Dans une seconde série de mesure, un balayage des résonances superharmoniques en fonction de la fréquence et de la puissance a été réalisé en modulant la tension à la fréquence wm/n et en enregistrant la réponse de la membrane autour de wm. Il a été ainsi possible d’observer des résonances superharmoniques allant de n=2 jusqu’à 8. Il a également été possible d’obtenir l’évolution de la phase le long des résonances et ce pour toutes celles observées.Dans une dernière série de mesure, nous utilisons la nonlinéarité présente pour observer des effets de résonance stochastique. L’idée est d’amplifier un signal de faible amplitude (basse fréquence) en injectant du bruit (haute fréquence) dans le système nonlinéaire. Dans le cas de notre système, nous avons été capables d’observer des résonances stochastiques à la fois en amplitude et en phase. Une étude comparative de ces deux régimes est détaillée. Le fait de pouvoir observer la résonance stochastique en phase peut permettre d’envisager la réalisation de communications codées en phase. / Nonlinearities in nanomechanical systems can arise from various sources such as spring and damping mechanisms and resistive, inductive, and capacitive circuit elements. Beyond fundamental interests for testing the dynamical response of discrete nonlinear systems with many degrees of freedom, non-linearities in nanomechanical devices, open new routes for nanomechanical sensing, and signal processing.The nonlinear response of a nanomechanical resonator consisting in a suspended photonic crystal membrane acting as a deformable mirror has been investigated. The low-mass and high reflectivity of suspended membranes pierced by a two-dimensional photonic crystal, makes them good candidates as electro-optomechanical resonator. Actuation of the membrane motion in the MHz frequency range is achieved via interdigitated electrodes placed underneath the membrane. The choice of these electrodes is due to the fact they are able to uniformly actuate these membranes. The processing of such platforms relies on 3D-heterogenous integration process.The applied electrostatic force induces mechanical non-linearities, in particular bistability, superharmonic resonances and stochastic resonance.The membrane is actuated by an electric load V(t) = Vdc + Vac cos(w.t), where Vdc is the DC polarization voltage, Vac the amplitude of the applied AC voltage, and w; the excitation frequency. The system acts as a capacitive system and thus the force applied on the membrane varies as a quadratic function of the applied voltage. Application of either DC or AC voltages can have different implications. Increasing the DC voltage increases the polarizing voltage on the material which in turn causes modulation of the eigenfrequency of the membranes. While an increase in the periodic AC voltage causes the membrane to oscillate more, pushing the system towards non-linear regime.In a first series of experiments, the membrane is actuated resonantly, with an excitation frequency w; equal to the fundamental mechanical modes frequency wm. From the frequency response spectra of the system it was possible to identify different mechanical modes of these membranes via optical measurements. For increased actuation voltages, bistability effects are observed with two different behaviors (spring hardening or softening). The mechanical nonlinearities due to stretching at the clamping point dominate the resonator dynamics.The most commonly used method to act upon the membrane is the primary-resonance excitation, in which the frequency of the excitation is tuned closed to the fundamental natural frequency of the nanostructure. Superharmonic resonance can also be implemented. It consists in applying an excitation frequency w; equal to wm/n, with n being integer. Existence of these superharmonic resonances is highly dependent on the non-linearity of the system. For example existence of n-th order non-linearity results in presence wm/n superharmonic resonance. In a second series of experiments, frequency-power sweep for superharmonic resonance has been performed, by modulating the electric load at a frequency wm/n and recording the response of the membrane at the fundamental frequency wm. High-order superharmonic resonances are observed with n=2 up to 8. Under superharmonic excitation, the control of the phase across the resonance has been shown for every observed resonance.In the next set of experiments, we used the nonlinearity existing in the system to perform stochastic resonance. The idea of stochastic resonance is amplification of a weak signal (with low frequency) by means of noise injected (higher frequency) in a nonlinear system. For our system we were able to achieve stochastic resonance with both amplitude and phase noise. A comparative study between these two schemes was also done in details. The idea of observing stochastic resonance in phase is very interesting as it opens doors to realize phase encoded communications.

[pt] Optomecânica, o estudo de forças induzidas pela luz sobre a matéria, teve grandes avanços nos últimos anos com diversas implicações sobre todas as ciências naturais. Pinças ópticas, por exemplo, são amplamente usadas na física, química e biologia para aprisionar nano e micropartículas com índice de refração maior do que o meio que a cerca usando, em geral, feixes Gaussianos. Generalizando essa técnica, trabalhos recentes começaram a explorar estados de ordem maior dos feixes eletromagnéticos e suas superposições para aprisionamento óptico, criando feixes com fase, modo e amplitude ajustáveis. Esses novos graus de liberdade permitem o uso de potenciais arbitrários e até mesmo forças dependentes do tempo capazes de induzir movimento controlado no objeto aprisionado. Nesse contexto de feixes estruturados, nós podemos explorar não apenas as forças atrativas entre luz e matéria, mas também as forças repulsivas que ocorrem quando o índice de refração da partícula é menor que o do meio circundante. Neste trabalho vamos explorar ambos cenários a partir da criação de feixes holográficos com um Modulador Espacial de Luz (SLM). Mais especificamente, vamos focar na implementação do feixe de foco escuro, ou feixe de garrafa, onde as partículas encontram equilíbrio em uma região sem incidência de luz. Resultados experimentais são apresentados e comparados com simulações numéricas baseadas na teoria de Lorentz-Mie e possíveis aplicações dessas pinças óticas inversas são discutidas em optomecânica e biologia. / [en] Optomechanics, the study of light-induced forces upon matter, has seen tremendous advances in recent years with broad implications to all natural sciences. Optical tweezers, for instance, are now widely used in physics, chemistry and biology to trap nano- and micro-objects with a refractive index greater than of its surrounding medium using typically Gaussian laser beams. Generalizing these techniques, recent works began to explore higher-order states of the electromagnetic field and its superpositions for optical trapping, creating beams with customized phase, mode and amplitude. These new degrees of freedom allows for optical potentials beyond the harmonic approximation, enabling virtually arbitrary potential forms and even time-dependent forces capable of inducing controlled motion on the trapped object. Within this context of structured light beams, we can explore not only the attractive forces between light and matter but the repulsive ones that arise when the particle s refractive index is smaller than that of its medium. In this work we explore both scenarios by creating holographic beams with a Spatial Light Modulator (SLM). Specifically, we focus on the implementation of the dark focus beam, or optical bottle beam, where particles may find equilibrium in a region with no incidence of light. Experimental results are presented and compared to Lorentz-Mie numerical simulations and possible applications of these inverted optical tweezers in optomechanics and biology are discussed.