Controlled dynamics of a levitated nanoparticle in a tailored optical potential

Au cours de la dernière décennie, la lévitation de nanoparticules dans le vide s'est illustrée comme une plateforme de choix pour l'étude de nombreux phénomènes, parmi lesquels les interactions élémentaires, la physique quantique à l'échelle mésoscopique, ainsi que la nano-thermodynamique hors d'équilibre. Comparée à d'autres systèmes, un atout majeur de cette approche réside dans le contrôle remarquable qu'il est possible d'exercer sur la nanoparticule et son environnement. Dans ce contexte, la maîtrise complète de l'évolution spatio-temporelle du potentiel de piégeage constituerait un ajout significatif aux techniques existantes, en permettant par exemple la génération de statistiques non gaussiennes.L'un des objectifs de cette thèse est l'étude de la dynamique hors d'équilibre dans le régime sous-amorti, dont l'importance est à la fois fondamentale et pratique, étant donné qu'une grande partie des systèmes nano-mécaniques opère dans ce régime.La nature stochastique des processus thermodynamiques à l'œuvre a d'abord été étudiée à travers la relaxation d'une particule en lévitation entre deux équilibres thermiques. A ainsi été mis en lumière un temps de relaxation caractéristique, correspondant au temps nécessaire à la dissipation de l'énergie de la particule dans son environnement.Par la suite, des protocoles de raccourcis vers l'équilibre ont pour la première fois été implémentés et testés dans le régime sous-amorti, permettant d'accélérer le retour à l'équilibre de la particule d'un ordre de grandeur. Pour de modestes accélérations, ces protocoles se sont de plus avérés robustes aux fluctuations.La génération et la caractérisation de potentiels de formes arbitraires ont ensuite été explorées, avec comme objectif initial d'étendre l'étude de processus thermodynamiques au cas de potentiels non harmoniques, pour lesquels les non-linéarités entrent en jeu.À l'aide d'un modulateur acousto-optique permettant de générer une superposition de faisceaux diffractés, différents potentiels ont ainsi été générés : harmoniques, plat, double puits... permettant un ajustement des non-linéarités. Pour reconstituer de façon non ambiguë la forme réelle du potentiel à partir de la dynamique de la particule, une utilisation originale du filtre de Kalman sans parfum a permis d'étendre la détection d'un facteur cinq, couvrant ainsi toute l'étendue du potentiel.Ce travail ouvre la voie à l'étude de transformations générales d'état à état entre potentiels arbitraires, et offre de nouvelles perspectives à l'étude de la thermodynamique à l'échelle nanométrique.