Self-oscillations in field emission nanowire mechanical resonators: a nanometric DC-AC conversion

We report the observation of self-oscillations in a bottom-up nanoelectromechanical system (NEMS) during field emission driven by a constant applied voltage. An electromechanical model is explored that explains the phenomenon and that can be directly used to develop integrated devices. In this first study we have already achieved ~50% DC/AC (direct to alternative current) conversion. Electrical self-oscillations in NEMS open up a new path for the development of high speed, autonomous nanoresonators, and signal generators and show that field emission (FE) is a powerful tool for building new nano-components

Femtosecond Laser Induced Resonant Tunneling in an Individual Quantum Dot Attached to a Nanotip

Quantized nano-objects offer a myriad of exciting possibilities for manipulating electrons and light that impact photonics, nanoelectronics, and quantum information. In this context, ultrashort laser pulses combined with nanotips and field emission have permitted renewing nano-characterization and control electron dynamics with unprecedented space and time resolution reaching femtosecond and even attosecond regimes. A crucial missing step in these experiments is that no signature of quantized energy levels has yet been observed. We combine in situ nanostructuration of nanotips and ultrashort laser pulse excitation to induce multiphoton excitation and electron emission from a single quantized nano-object attached at the apex of a metal nanotip. Femtosecond induced tunneling through well-defined localized confinement states that are tunable in energy is demonstrated. This paves the way for the development of ultrafast manipulation of electron emission from isolated nano-objects including stereographically fixed individual molecules and high brightness, ultrafast, coherent single electron sources for quantum optics experiments

Nonlinear polarization coupling in freestanding nanowire/nanotube resonators

In this work, we study the nonlinear coupling between the transverse modes of nanoresonators such as nanotubes or nanowires in a singly clamped configuration. We previously showed that at high driving, this coupling could result in a transition from independent planar modes to a locked elliptical motion, with important modifications of the resonance curves. Here, we clarify the physical origins, associated with a 1:1 internal resonance, and study in depth this transition as a function of the relevant parameters. We present simple formulae that permit to predict the emergence of this transition as a function of the frequency difference between the polarizations and the nonlinear coefficients and give the “backbone curves” corresponding to the elliptical regime. We also show that the elliptical regime is associated with the emergence of a new set of solutions of which one branch is stable. Finally, we compare single and double clamped configurations and explain why the elliptical transition appears on different polarizations

Etude des ondes de spin dans le mélange 3He-4He liquide polarisé

The exchange interaction in degenerate liquid 3He is at the origin of coherent effects like spin waves or the Leggett-Rice effect. At low polarisation these effects are well described by the Leggett equations and they are only visible at low temperature and in sufficiently highmagnetic fields. The question is if at high polarisation the phase space between “up” and “down” Fermi levels is available for collisions damping the spin coherence even at zero temperature. In this case the collision time for these effects varies like 1/(T2+TA2) where TA isproportional to the polarisation and induces dissipation at T = 0 K. The existence of this dissipation has been subject of a theoretical and experimental debate. Until now, only the Leggett-Rice effect data by Akimoto et al. giving TA/B ~ 0.28 mK/Tesla agree with a theoretical prediction. Our data falls in the temperature range 10-30 mK but we are able to enhance polarisation by more than a factor 3 with respect to its equilibrium value (an effective field of more than 34 Tesla). We measure TA/Beff ~ 0,3 mK/Tesla, a value compatible with thesame theoretical model. The calibration of our vibrating wire viscometers versus temperature resulted in a surprising effect. Below 100 mK and for all our wires (diameters between 25 and 115 μm), the 3He-4He mixtures behave like a normal liquid in the bulk, but like a superfluid on the surface: the momentum transfer parallel to the interface between the wire and the liquid almost vanishes. The departure from hydrodynamic behaviour is parametrised by a slip length, usually of the order of the mean free path. We have seen an enhancement of this length by a factor 1000 due to the presence of a superfuid 4He film on the walls. Below 10 mK, when the mean free path becomes of order of the wire diameter we also observe slip perpendicular to the surface of the wire. The microscopic model of Bowley and Owers-Bradley agrees very well with our measurements and allows us to extract the viscosity of the mixture, which we convert into temperature for the spin waves measurement.L'interaction d'échange dans l'3He liquide dégénéré est à l'origine d'effets cohérents comme les ondes de spin ou l'effet Leggett-Rice. Ces effets sont bien décrits à basse polarisation par les équations de Leggett et ne sont visibles qu'à très basse température et dans des champs magnétiques assez forts. La question se pose si à forte polarisation l'espace de phase entre les niveaux de Fermi « up » et « down » est disponible pour des collisions amortissant la cohérence de spin, même à température nulle. Dans ce cas, le temps de collision pour ces effets cohérents varie comme 1/(T2+TA2) où TA est proportionnel à la polarisation et induit la dissipation à T = 0 K. Il y a eu un grand débat à la fois théorique et expérimental sur l'existence de cette dissipation et, jusqu'à présent, seule l'expérience sur l'effet Leggett-Rice de Akimoto et al. permet de trancher en faveur d'un modèle théorique (celui qui prédit TA>0). Nous avons travaillé entre 10 et 30 mK sous 11,3 Tesla, la différence par rapport aux autres groupes étant que nous travaillons hors-équilibre, avec un gain en polarisation pouvant dépasser 3 (ce qui équivaut à un champ magnétique effectif de plus de 30 Tesla). Dans ces conditions nous mesurons TA/Beff ~ 0,3 mK/Tesla, ce qui est compatible avec le même modèle théorique. L'étalonnage en température des viscosimètres à fil vibrant a mis en évidence un effet surprenant. En dessous de 100 mK et pour tous les fils étudiés (diamètres compris entre 25 et 115 μm), les mélanges 3He-4He se comportent comme des liquides normaux en volume, mais comme des superfluides en surface : le transfert d'impulsion parallèle à l'interface entre le filet le liquide est presque nul. Le départ de l'hydrodynamique est paramétré par une longueur deglissement qui est d'habitude de l'ordre du libre parcours moyen. Nous avons vu une augmentation de cette longueur d'un facteur 1000 à cause de la présence d'un film d'4He superfluide sur les parois. En dessous de 10 mK, quand le libre parcours moyen devient de l'ordre du diamètre du fil, nous observons également un glissement perpendiculaire à la surface du fil. Le modèle microscopique de Bowley et Owers-Bradley est en très bon accord avec nos données et permet d'extraire la viscosité du mélange, que nous convertissons en température pour les mesures d'ondes de spin

Etude des ondes de spin dans le mélange liquide polarisé 3HE-4HE

L'interaction d'échange dans l'3He liquide dégénéré est à l'origine d'effets cohérents, bien décrits à basse polarisation par les équations de Leggett et 1 visibles seulement à très basse température. La question se pose si à forte polarisation l'espace de phase entre les niveaux de Fermi " up " et" down" 1 est disponible pour des collisions amortissant la cohérence de spin même à température nulle. Dans ce cas, le temps de collision pour ces effets cohérents varie comme 1/(T2+TA2) où TA mesure la dissipation à T = 0 K. Nous avons travaillé entre 10 et 30 mK sous 11,3 Tesla ; la différence par rapport aux autres groupes étant que nous travaillons hors équilibre, avec un gain en polarisation pouvant dépasser 3 (ce qui équivaut à un champ magnétique effectif de plus de 30 Tesla). Nous mesurons TAIBeff - 0,3 mKffesla. L'étalonnage de nos thermomètres à fil vibrant a mis en évidence le fait qu'en dessous de 100 mK les mélanges 3He-4He se comportent comme des liquides normaux en volume, mais comme des superfluides en surface. Le transfert d'impulsion tangentielle entre le fil et le liquide est presque nul. Le départ de l'hydrodynamique est paramétré par une longueur de glissement, d'habitude de l'ordre du libre parcours moyen. Nous avons vu une augmentation de cette longueur d'un facteur 1000 à cause de la présence d'un film d'4He superfluide sur les parois. En dessous de 10 mK, quand le libre parcours moyen devient de l'ordre du diamètre du fil, nous observons également un glissement radial. La théorie de Bowley et Owers-Bradley est en très bon accord avec nos données et permet d'extraire la viscosité du mélange, que nous convertissons en température pour les mesures de TA.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Synchronization of nanowire self-oscillators

International audienceWe performed field emission measurements with SiC nanowires self-oscillators. Applying an additional AC excitation locks the self-oscillation natural frequency of the nanowire to the external frequency as long as both frequencies do not deviate from each other by more than 10 %. An unusual behavior of the phase of the locked self-oscillator is observed showing for instance spontaneous phase modulated signal generation at the nanoscale

Signal amplification in a synchronized field emission NEMS

International audienceWe present in this paper a study on highly resistive SiC nanowires in a singly clamped geometry. We demonstrate that these field emission nanoelectromechanical systems (NEMS) can be synchronized ton an external AC signal and act as an amplifier

Quality-Factor Enhancement of Nanoelectromechanical Systems by Capacitive Driving Beyond Resonance

International audienc

Nanoradios à nanotube de carbone : Configurations émission de champ et transistor

International audienceIn this article, we explore and compare two distinct configurations of the “nanoradio” concept where individual carbon nanotube resonators are the central electromechanical element permitting signal demodulation. The two configurations of singly-clamped field emitters and doubly-clamped field effect transistors are examined which at first glance are quite different, but in fact involve quite similar physical concepts. Amplitude, frequency and digital demodulation are demonstrated and the analytical formulae describing the demodulation are derived as functions of the system parameters. The crucial role played by the mechanical resonance in demodulation is clearly demonstrated. For the field emission configuration we particularly concentrate on how the demodulation depends on the variation of the field amplification factor during resonance and show that amplitude demodulation results in the best transmitted signal. For the transistor configuration the important aspect is the variation of the nanotube conductance as a function of its distance to the gate. In this case frequency demodulation is much more effective and digital signal processing was achieved. The respective strengths and weaknesses of each configuration are discussed throughout the article.Dans cet article nous analysons et comparons deux configurations différentes du concept de « nanoradio » où des nanotubes de carbone individuels résonant constituent l'élément électro-mécanique essentiel permettant la démodulation du signal radio. Les deux configurations , émetteur de champ simplement encastré et transistor à effet de champ doublement encastré, peuvent à première vue sembler relativement différentes mais, après analyse, elles reposent sur des concepts physiques similaires. La démodulation de signaux codés en amplitude (AM), fréquence (FM) et phase (PM) est démontrée et les formules analytiques décrivant cette démodulation sont exprimées en fonction des paramètres des systèmes. Le rôle crucial joué par la résonance mécanique dans le processus de démodulation est ainsi clairement mis en évidence. Pour la configuration en émission de champ nous montrons comment la démodulation dépend de la variation du facteur d'amplification de champ durant la résonance et que les meilleures performances sont obtenues pour la démodulation d'un signal codé en amplitude. Pour la configuration transistor le point 396 P. Vincent et al. / C. R. Physique 13 (2012) 395–409 principal est la variation de la conductance du nanotube en fonction de sa distance à la grille. Dans ce cas la démodulation d'un signal codé en fréquence est plus efficace et la démodulation de signaux digitaux a été démontré. Les avantages et défauts de chaque configuration sont discutés tout au long de l'article