Une équipe de chercheurs du C2N a démontré expérimentalement une amplification de plus d'un ordre de grandeur d'un signal électrique faible grâce à un nano-résonateur électromécanique. Leurs résultats, étayés par la théorie, illustrent un mécanisme général qui peut potentiellement s'appliquer à un large éventail de systèmes physiques.

En traitement du signal et dans n’importe quel canal de communication, l'amplification de signaux faibles éventuellement porteurs d'informations est un défi important à résoudre afin de contrer les inévitable pertes. Les résonateurs non linéaires pilotés peuvent engendrer des résonances nettes ou même des comportements multistables susceptibles d'induire de fortes amplifications des signaux faibles. De telles amplifications peuvent utiliser le phénomène de résonance vibratoire, par lequel un faible signal basse fréquence appliqué à un résonateur bistable peut être amplifié en entraînant l'oscillateur non linéaire avec un autre champ haute fréquence non résonnant ajusté de manière appropriée.

Dans une étude récente publiée dans Nature Communications, une équipe du C2N en collaboration avec des chercheurs du Laboratoire Charles Coulomb - L2C (CNRS / Univ. Montpellier) et de l'Université du Chili a proposé une nouvelle méthode pour renforcer les signaux faibles dans les canaux de communication en utilisant un résonateur électromécanique nanométrique forcé. La méthode repose sur la manipulation d'une résonance non linéaire avec un entraînement haute fréquence non résonnant ajouté au signal. Les résultats illustrent un mécanisme non-linéaire général qui pourrait avoir des applications dans les domaines de l'amplification ou de la détection de signaux micro-ondes par exemple.

Les chercheurs ont étudié le phénomène de résonance vibrationnelle dans un oscillateur non linéaire composé d'un nano-résonateur électromécanique à sonde optique et à commande électrique. Le système est monostable lorsqu’il est non piloté, ce qui signifie qu'il n'est pas directement adapté à la résonance vibratoire. Les chercheurs ont néanmoins développé un schéma de résonance vibrationnelle non conventionnel basé sur trois échelles de temps distinctes. Tout d'abord, une excitation presque résonante amène le résonateur dans un régime bistable. Ensuite, l'amplification par résonance vibrationnelle du signal, codé dans la modulation d'amplitude de l'excitation presque résonnante, est obtenue en utilisant une troisième modulation à haute fréquence.

Les chercheurs de C2N montrent expérimentalement une amélioration d'un facteur allant jusqu'à 20 des signaux faibles. Grâce à la contribution théorique d'un partenaire de l'Université du Chili, les chercheurs ont même pu prédire des facteurs d'amplification plus élevés. Il est intéressant de noter que le signal de fréquence intermédiaire n’a besoin de résonner avec aucune des fréquences de résonateur, laissant ainsi une grande liberté dans son choix.

En tant que mécanisme général pour les résonateurs non linéaires, ce modèle décrivant la résonance vibratoire dans un oscillateur non linéaire forcé monostable est assez général et peut s'appliquer à une large gamme de systèmes physiques. Au-delà de ses importantes perspectives fondamentales, cette démonstration de manipulation de résonance non linéaire pourrait être envisagée comme un moyen potentiel pour diverses applications de signaux bi-fréquences omniprésents, parmi lesquels le traitement ou la détection de signaux radiofréquence.

 

Référence :
Weak signal enhancement by nonlinear resonance control in a forced nano-electromechanical resonator,
A. Chowdhury¹, M. G. Clerc², S. Barbay¹, I.Robert-Philip³ et R. Braive¹
Nature Communications, Mai 2020
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-020-15827-3

1. Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies – C2N (CNRS/UPSaclay)
2. Departamento de Física and Millennium Institute for Research in Optics, Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad de Chile
3. Laboratoire Charles Coulomb - L2C (Université de Montpellier, CNRS)

Contact :

• Rémy Braive, Maître de Conférence Université de Paris au C2N

 

Figure : (à gauche) Image au microscope électronique à balayage du nano-résonateur électromécanique composé d'une membrane à cristal photonique suspendue faite en InP, intégrée au-dessus d'électrodes « interdigitées » en or. (à droite) Facteur de gain de la résonance vibratoire en fonction de l'amplitude de l'entraînement externe (encart) Evolution théorique de l’amplification en fonction du forçage (F) et de l'entraînement haute fréquence (δ)