Stochastic thermodynamics with levitating nanoparticles : from optimizing state transformations to the study of arbitrary potentials

Lorsqu'on considère des systèmes à l'échelle nanométrique, leur petite taille les rend extrêmement sensibles aux fluctuations, qui influencent fortement leur dynamique et leur efficacité énergétique. Cela nécessite un cadre théorique adapté : la thermodynamique stochastique, qui étend la thermodynamique classique afin de prendre en compte les fluctuations au niveau microscopique.Cette approche est particulièrement pertinente en physique, en chimie et en biologie, où des systèmes de petite taille — allant des machines moléculaires et des systèmes nanoélectromécaniques (NEMS) jusqu'à la dynamique du repliement des protéines — opèrent loin de l'équilibre et sont fortement affectés par le bruit thermique. Comprendre comment les fluctuations influencent le comportement de tels systèmes est essentiel non seulement pour décrire précisément leur dynamique, mais aussi pour évaluer et optimiser leur performance énergétique.Dans ce contexte, les nanoparticules en lévitation optique constituent une plateforme expérimentale idéale. Leur isolement important de l'environnement, combiné à un contrôle externe précis, en fait un système modèle polyvalent pour explorer et tester les principes de la thermodynamique stochastique.Dans cette thèse, j'exploite des nanoparticules en lévitation optique pour aborder ces questions fondamentales de thermodynamique. Je me concentre d'abord sur l'optimisation des transformations thermodynamiques en temps fini dans le régime sous-amorti. En modulant dynamiquement la raideur du potentiel optique, j'ai pu contrôler avec précision la dynamique de la particule, ce qui a conduit à la démonstration expérimentale de protocoles optimaux de décompression avec une raideur bornée. Ce travail constitue ainsi la première mise en œuvre expérimentale de protocoles optimaux dans le régime sous-amorti, marquant une étape importante vers la conception de moteurs efficaces à l'échelle nanométrique.Alors que ces premiers résultats concernent des potentiels harmoniques, les systèmes réels sont souvent bien plus complexes et bénéficieraient grandement d'une extension à des paysages de piégeage plus élaborés. La mise en œuvre de tels protocoles nécessite à la fois des méthodes de détection permettant de suivre précisément la dynamique d'une particule dans des potentiels complexes de grande taille, et de nouvelles approches pour générer des potentiels arbitraires. À cette fin, je présente un modèle numérique de notre système de détection, et je mets en œuvre expérimentalement un système de détection permettant un suivi précis de la dynamique de la particule sur des plages spatiales étendues.Dans la dernière partie de cette thèse, je propose et démontre une méthode permettant de générer des potentiels optiques avec des anharmonicités bien contrôlées, obtenues par la superposition de plusieurs faisceaux de piégeage gaussiens. Je caractérise la dynamique des particules dans ces paysages arbitraires, en démontrant une anharmonicité modulable et en mettant en évidence les défis expérimentaux liés à leur réalisation.Dans l'ensemble, ce travail constitue une avancée importante pour l'étude et l'optimisation de la thermodynamique stochastique dans des systèmes complexes.