Polaron physics in carbon nanotube electro-mechanical resonators
Authors:   , De Bonis Sergio Lucio 
Published: October 2023

Carbon nanotube (CNT) mechanical resonators are unique systems because they combine remarkable mechanical properties with rich charge transport characteristics. Thanks to their intrinsically low-dimensional nature, their mass is extremely low. The mechanical resonance frequency reaches the GHz regime, can be widely tunable and they show quality factor as high as several million. Nanotubes hold great promise for sensing applications. Nanotubes are an excellent system to study quantum electron transport, which range from abry-Pérot interference to Coulomb blockade. These completely opposite regimes can be very efficiently coupled to the mechanics, since the two degrees of freedom, electrons and phonons, are embedded in the same system.
In the first section of this thesis we develop a detection scheme utilizing a RLC resonator together with a low-temperature HEMT amplifier.
This allows us to lower the current noise floor of the setup and carry out sensitive electrical noise measurements, demonstrating a displacement sensitivity of 0.5 pm/Hz^(1/2) and a force sensitivity of 4.3 zN/Hz^(1/2). This surpasses what has been achieved with mechanical resonators to date and paves the way for the detection of ndividual nuclear spins. We also improve the device fabrication enhancing the capacitive coupling between mechanical vibrations and electrons flowing though the nanotube.
In the second part of this work, we study the electron-phonon coupling in CNT resonators in the Coulomb blockade regime and report on the long-sought-after demonstration of the ultra-strong coupling regime. Mechanical vibrations and electrons are so strongly coupled that it no longer makes sense to think of them as distinct entities, but rather as a quasi-particle: a polaron. First, we demonstrate that the polaronic nature of charge carriers modifies the quantum electron transport through the device. In previous electromechanical devices, the coupling was too weak to have any effect on the DC electrical conductance.
Second, we show high tunability of polaron states by electrostatic means. This is something not possible to do with polarons in other systems, such as bulk crystals. Notably, this interaction creates a highly nonlinear potential for the phonon mode which establishes nanotube resonator as a possible platform for the demonstration of mechanical qubits.
Los resonadores mecánicos de nanotubos de carbono (CNT) son sistemas únicos porque combinan propiedades mecánicas notables con ricas características de transporte de carga. Gracias a su naturaleza intrínsecamente de baja dimensión, su masa es extremadamente baja. La frecuencia de resonancia mecánica alcanza el régimen de GHz, puede ser ampliamente ajustable y muestra un factor de calidad de hasta varios millones. Los nanotubos son muy prometedores para las aplicaciones de detección. Los nanotubos son un excelente sistema para estudiar el transporte cuántico de electrones, que van desde la interferencia Fabry-Pérot hasta el bloqueo de Coulomb. Estos regímenes completamente opuestos se pueden acoplar de manera muy eficiente a la mecánica, ya que los dos grados de libertad, electrones y fonones, están integrados en el mismo sistema. En la primera sección de esta tesis desarrollamos un esquema de detección que utiliza un resonador RLC junto con un amplificador HEMT de baja temperatura. Esto nos permite reducir el ruido de fondo actual del setup y realizar mediciones de ruido eléctrico sensibles, demostrando una sensibilidad de desplazamiento de 0.5 pm/Hz^(1/2) y una sensibilidad de fuerza de 4.3zN/Hz^(1/2) . Esto supera lo que se ha logrado con resonadores mecánicos hasta la fecha y allana el camino para la detección de espines nucleares individuales. También mejoramos la fabricación del dispositivo mejorando el acoplamiento capacitivo entre vibraciones mecánicas y electrones que fluyen a través del nanotubo. En la segunda parte de este trabajo, estudiamos el acoplamiento de electrones y fonones en resonadores CNT en el régimen de bloqueo de Coulomb e informamos sobre el tan buscado después de la demostración del régimen de acoplamiento ultra fuerte. Las vibraciones mecánicas y los electrones están tan fuertemente acoplados que ya no tiene sentido pensar en ellos como entidades distintas, sino más bien como una casi partícula: un polaron. Primero, demostramos que la naturaleza polarónica de los portadores de carga modifica el transporte cuántico de electrones a través del dispositivo. En dispositivos electromecánicos anteriores, el acoplamiento era demasiado débil para tener algún efecto sobre la conducción eléctrica continua. En segundo lugar, mostramos una alta capacidad de sintonización de los estados de Polaron por medios electrostáticos. Esto es algo que no es posible hacer con los polarones en otros sistemas, como los cristales a granel. Notablemente, esta interacción crea un potencial altamente no lineal para el modo de fonón que establece el resonador de tubos de resonancia como una posible plataforma para la demostración de qubits mecánicos