Microwave Optomechanics with a Carbon Nanotube Quantum Dot

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-444373
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.44437

Blien, Stefan

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Date of publication of this fulltext: 21 Jan 2021 11:42

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Date:	21 January 2021
Referee:	Dr. Andreas K. Hüttel
Date of exam:	9 October 2020
Institutions:	Physics > Institute of Experimental and Applied Physics > Chair Professor Weiss > Group Andreas K. Hüttel
Keywords:	Mikrowellen, Optomechanik, Kohlenstoffnanoröhren, Quantenkapazität
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	44437

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Abstract (English)

Abstract (English)

This thesis deals with the implementation and demonstration of an optomechanical system that is composed of a superconducting microwave resonator and a suspended carbon nanotube (CNT). This is of particular interest, as CNTS - being macromolecules - have outstanding electronic and mechanical properties. Single electron effects combined with large mechanical resonance frequencies, quality factors, and zero-point motion amplitudes make possible promising applications in the field of quantum information processing or fundamental research, e.g. the synthesis of arbitrary quantum states.
Besides the assembly of a high frequency measurement setup for cryogenic temperatures in the millikelvin range, introductory chapters discuss electronic and mechanical characteristics of carbon nanotubes. Here, two different fabrication techniques are described, the overgrowth and the fork transfer process.
The physics of superconducting microwave resonators in coplanar waveguide geometry is introduced. Their high frequency behaviour at low temperatures is described by a transition from Mattis-Bardeen to two-level system theory. This serves as a means to investigate the high frequency material properties of a molybdenum/rhenium alloy, which is particularly suitable for the overgrowth process.
Device design adjustments and considerations are described that were necessary for the integration of CNTs into hybrid geometries using the fork transfer process. Through this, the (previously demonstrated) electronic coupling of a carbon nanotube to a microwave resonator could be successfully experimentally demonstrated. There, the transmission of the resonator is sensitive to single electron tunneling processes in the CNT.
The central point of this thesis is the introduction to the field of dispersive optomechanics. Here, the interaction of a vibrating carbon nanotube and a microwave field is investigated. A mechanism based on the quantum capacitance enhances this otherwise negligible coupling by orders of magnitude. Through an optomechanically induced transparency experiment, this coupling was experimentally quantified. A comparison to the beforehand deduced theory shows a very good agreement. In conclusion, subsequent prospective experiments towards optomechanical cooling and motion manipulation are explained and preliminary experimental data are discussed.

Translation of the abstract (German)

Diese Arbeit befasst sich mit der Realisierung und Demonstration eines optomechanischen Systems bestehend aus einem supraleitenden Mikrowellenschwingkreis und einer freihängenden Kohlenstoffnanoröhre (CNT). Dies ist von besonderem Interesse, da CNTs als Makromoleküle herausragende elektronische und mechanische Eigenschaften besitzen. Einzelektroneneffekte kombiniert mit hohen mechanischen Resonanzfrequenzen, Gütefaktoren und Nullpunktsschwingungs-Amplituden ermöglichen vielversprechende Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung oder Grundlagenforschung, beispielsweise der Synthese beliebiger Quantenzustände.
Neben dem Aufbau eines Hochfrequenz-Messetups für kryogene Temperaturen im Millikelvin-Bereich setzen sich einleitende Kapitel mit einer theoretischen Einführung zu elektronischen und mechanischen Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren auseinander. Dabei werden zwei verschiedene Fabrikationsmethoden zur Herstellung hochreiner CNTs beschrieben, der Überwachstums- sowie der Gabeltransfer-Prozess.
Die Physik von supraleitenden Mikrowellenresonatoren in koplanarer Wellenleitergeometrie wird vorgestellt. Deren Hochfrequenzverhalten bei tiefen Temperaturen wird durch einen Übergang der Mattis-Bardeen- zur Zweiniveau-System-Theorie beschrieben. Dies dient zur Untersuchung der Hochfrequenz-Materialeigenschaften einer Molybdän/Rhenium-Legierung, welche besonders für den Überwachstumsprozess geeignet sind.
Probendesignanpassungen und Überlegungen, welche zur Integration von CNTs in Hybridgeometrien mittels des Gabeltransfer-Prozesses nötig waren, werden beschrieben. Dadurch konnte die (bereits früher nachgewiesene) elektronische Kopplung einer Kohlenstoffnanoröhre an den Mikrowellenschwingkreis erfolgreich experimentell demonstriert werden. Die Transmission des Schwingkreises ist hierbei empfindlich auf Einzelelektronen-Tunnelprozesse durch die CNT.
Zentraler Punkt der Arbeit ist die Einführung in das Gebiet der dispersiven Optomechanik. Hierbei wird die Wechselwirkung zwischen der schwingenden Kohlenstoffnanoröhre und dem Mikrowellenfeld untersucht. Ein auf der Quantenkapazität basierender Mechanismus verstärkt diese ansonsten vernachlässigbare optomechanische Kopplung um Größenordnungen. Mittels eines optomechanisch induzierter Transparenz Experiments wurde diese Kopplung experimentell quantifiziert. Ein Vergleich mit der zuvor hergeleiteten Theorie zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Abschließend werden weiterführende, zukünftige Experimente zu optomechanischer Kühlung und Schwingungsmanipulation erklärt und erste experimentelle Daten diskutiert.

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