Integrated charge sensing and electromechanics in suspended carbon nanotube quantum devices

(English) In this thesis we present an ultrasensitive, fast and widely tunable charge detection architecture, suitable for the readout of both electronic states and mechanical motion. The platform is implemented in suspended carbon nanotube (CNT) devices. Our approach employs a radiofrequency (RF) readout scheme operating without impedance matching, thereby avoiding one of the main practical limitations of conventional reflectometry. The readout achieves charge sensitivities exceeding state of the art RF detection techniques, while relying on a comparatively simple measurement setup. The device is based on an integrated single nanotube platform, in which a system of gate defined quantum dots and a proximal quantum dot based charge sensor are hosted in the same suspended CNT and separated by a short metallic drain electrode. The drain is connected to an RLC resonator with a resonance frequency fRLC approximately 1.25 MHz and a bandwidth of 50 kHz, enabling RF readout of the charge sensor current at the circuit resonance. This geometry provides strong capacitive coupling while maintaining independent electrostatic control of the sensor operating point and of the target quantum dots. Using this platform, we achieve self charge sensitivities of order 10^-7 e/sqrt(Hz) and an exceptionally low single shot infidelity, 1 - F approximately 10^-15, for an integration time tau approximately 3.5 microseconds. Beyond the readout of electronic charge transitions in the target quantum dots, the same charge sensor provides highly sensitive access to the mechanical degrees of freedom of the suspended nanotube in the system region. Mechanical displacement is transduced into variations of the charge sensor quantum dot conductance, enabling measurements ranging from driven nonlinear dynamics to thermomechanical motion in the few phonon regime. Crucially, our platform allows operation in a regime where electromechanical backaction, which is typical of suspended carbon nanotubes hosting quantum dots, is strongly suppressed. This addresses one of the central challenges of CNT based nanomechanics: in single dot electromechanical architectures, achieving strong or ultrastrong coupling generally requires operation near charge degeneracy, where coupling to electronic reservoirs and stochastic tunneling lead to excessive dissipation, frequency noise and a pronounced reduction of the mechanical quality factor. Indeed, in previous experiments in the ultrastrong coupling regime, measurement backaction broadened the mechanical response to the point of obscuring access to the intrinsic mechanical properties. In contrast, in our devices we maintain high readout sensitivity without any observable degradation of the mechanical quality factor Q, enabling quantitative spectroscopy of the resonator while preserving its intrinsic mechanical properties. This capability to perform quantitative spectroscopy of a nanomechanical resonator coupled to a two level system in the few phonon regime constitutes a key requirement for advancing towards experiments in the quantum regime, where preserving intrinsic mechanical coherence is essential. The high degree of tunability of our platform enables precise control of charge occupation, tunnel couplings and electrostatic potentials, allowing systematic studies of electromechanical coupling from the single electron regime in a simple quantum dot to the double quantum dot configuration. We demonstrate ultrastrong electromechanical coupling, opening the door to future work on nonlinear nanomechanics, mechanical qubits, quantum delocalization and carbon nanotube based quantum simulation. (Català) En aquesta tesi presentem una arquitectura de deteccio de carrega ultrasensible, rapida i ampliament sintonitzable, adequada per a la lectura tant d'estats electronics com del moviment mecanic. La plataforma s'implementa en dispositius de nanotubs de carboni (CNT) suspesos. El nostre enfocament utilitza un esquema de lectura per radiofrequencia (RF) que opera sense adaptacio d'impedancia, evitant aixi una de les principals limitacions practiques de la reflectometria convencional. La lectura assoleix sensibilitats de carrega que superen les tecniques de deteccio RF de referencia, tot basant-se en un sistema de mesura comparativament senzill. El dispositiu es basa en una plataforma integrada d'un sol nanotub, en la qual un sistema de punts quantics definits per portes i un sensor de carrega basat en un punt quantic proximal estan allotjats en el mateix CNT suspes i separats per un curt electrode metallic de drenatge. El drenatge esta connectat a un ressonador RLC amb una frequencia de ressonancia fRLC aproximadament 1.25 MHz i una amplada de banda de 50 kHz, cosa que permet la lectura RF del corrent del sensor de carrega a la ressonancia del circuit. Aquesta geometria proporciona un fort acoblament capacitiu, tot mantenint un control electrostatic independent del punt de funcionament del sensor i dels punts quantics objectiu. Utilitzant aquesta plataforma, assolim sensibilitats d'autocarrega de l'ordre de 10^-7 e/sqrt(Hz) i una infidelitat excepcionalment baixa en mesures d'un sol tret, 1 - F aproximadament 10^-15, per a un temps d'integracio de tau aproximadament 3.5 microsegons. Mes enlla de la lectura de transicions de carrega electroniques en els punts quantics objectiu, el mateix sensor de carrega proporciona un acces altament sensible als graus de llibertat mecanics del nanotub suspes a la regio del sistema. El desplacament mecanic es transdueix en variacions de la conductancia del punt quantic sensor, cosa que permet mesures que abasten des de dinamiques no lineals induides fins al moviment termomecanic en el regim de pocs fonons. De manera crucial, la nostra plataforma permet operar en un regim en que la retroaccio electromeccanica, tipica dels nanotubs de carboni suspesos que allotgen punts quantics, es troba fortament suprimida. Aixo aborda un dels reptes centrals de la nanomecanica basada en CNT: en arquitectures electromeccaniques de punt unic, assolir un acoblament fort o ultrastrong generalment requereix operar prop de la degeneracio de carrega, on l'acoblament amb reservoris electronics i el tunel estocastic condueixen a una dissipacio excessiva, soroll de frequencia i una reduccio marcada del factor de qualitat mecanic. De fet, en experiments previs en el regim d'acoblament ultrastrong, la retroaccio de la mesura va eixamplar la resposta mecanica fins al punt de perdre l'acces a les propietats mecaniques intrinseques. En contrast, en els nostres dispositius mantenim una alta sensibilitat de lectura sense una degradacio observable del factor de qualitat mecanic Q, cosa que permet realitzar espectroscopia quantitativa del ressonador preservant les seves propietats mecaniques intrinseques. Aquesta capacitat de dur a terme espectroscopia quantitativa d'un ressonador nanomecanic acoblat a un sistema de dos nivells en el regim de pocs fonons constitueix un requisit clau per avancar cap a experiments en el regim quantic, on preservar la coherencia mecanica intrinseca es essencial. L'alt grau de sintonitzabilitat de la nostra plataforma permet un control precis de l'ocupacio de carrega, dels acoblaments de tunel i dels potencials electrostatics, fet que possibilita estudis sistematics de l'acoblament electromeccanic des del regim d'un sol electro en un punt quantic simple fins a la configuracio de doble punt quantic. Demostrem acoblament electromeccanic ultrastrong, cosa que obre la porta a treballs futurs en nanomecanica no lineal, qubits mecanics, deslocalitzacio quantica i simulacio quantica basada en nanotubs de carb (Español) En esta tesis presentamos una arquitectura de deteccion de carga ultrasensible, rapida y ampliamente sintonizable, adecuada para la lectura tanto de estados electronicos como del movimiento mecanico. La plataforma se implementa en dispositivos de nanotubos de carbono (CNT) suspendidos. Nuestro enfoque utiliza un esquema de lectura por radiofrecuencia (RF) que opera sin adaptacion de impedancia, evitando asi una de las principales limitaciones practicas de la reflectometria convencional. La lectura alcanza sensibilidades de carga que superan las tecnicas de deteccion RF de referencia, basandose en un sistema de medida comparativamente sencillo. El dispositivo se basa en una plataforma integrada de un solo nanotubo, en la cual un sistema de puntos cuanticos definidos por puertas y un sensor de carga basado en un punto cuantico proximal estan alojados en el mismo CNT suspendido y separados por un corto electrodo metalico de drenaje. El drenaje esta conectado a un resonador RLC con una frecuencia de resonancia fRLC aproximadamente 1.25 MHz y un ancho de banda de 50 kHz, lo que permite la lectura RF de la corriente del sensor de carga a la resonancia del circuito. Esta geometria proporciona un fuerte acoplamiento capacitivo, manteniendo al mismo tiempo un control electrostatico independiente del punto de operacion del sensor y de los puntos cuanticos objetivo. Utilizando esta plataforma, alcanzamos sensibilidades de autocarga del orden de 10^-7 e/sqrt(Hz) y una infidelidad excepcionalmente baja en medidas de disparo unico, 1 - F aproximadamente 10^-15, para un tiempo de integracion tau aproximadamente 3.5 microsegundos. Mas alla de la lectura de transiciones de carga electronicas en los puntos cuanticos objetivo, el mismo sensor de carga proporciona un acceso altamente sensible a los grados de libertad mecanicos del nanotubo suspendido en la region del sistema. El desplazamiento mecanico se transduce en variaciones de la conductancia del punto cuantico sensor, lo que permite medidas que abarcan desde dinamicas no lineales inducidas hasta el movimiento termomecanico en el regimen de pocos fonones. De manera crucial, nuestra plataforma permite operar en un regimen en el que la retroaccion electromecanica, tipica de los nanotubos de carbono suspendidos que alojan puntos cuanticos, se encuentra fuertemente suprimida. Esto aborda uno de los retos centrales de la nanomecanica basada en CNT: en arquitecturas electromecanicas de punto unico, alcanzar un acoplamiento fuerte o ultrastrong generalmente requiere operar cerca de la degeneracion de carga, donde el acoplamiento con reservorios electronicos y el tunel estocastico conducen a una disipacion excesiva, ruido de frecuencia y una reduccion marcada del factor de calidad mecanico. De hecho, en experimentos previos en el regimen de acoplamiento ultrastrong, la retroaccion de la medida ensancho la respuesta mecanica hasta el punto de perder el acceso a las propiedades mecanicas intrinsecas. En contraste, en nuestros dispositivos mantenemos una alta sensibilidad de lectura sin una degradacion observable del factor de calidad mecanico Q, lo que permite realizar espectroscopia cuantitativa del resonador preservando sus propiedades mecanicas intrinsecas. Esta capacidad de llevar a cabo espectroscopia cuantitativa de un resonador nanomecanico acoplado a un sistema de dos niveles en el regimen de pocos fonones constituye un requisito clave para avanzar hacia experimentos en el regimen cuantico, donde preservar la coherencia mecanica intrinseca es esencial. El alto grado de sintonizabilidad de nuestra plataforma permite un control preciso de la ocupacion de carga, de los acoplamientos de tunel y de los potenciales electrostaticos, lo que posibilita estudios sistematicos del acoplamiento electromecanico desde el regimen de un solo electron en un punto cuantico simple hasta la configuracion de doble punto cuantico. Demostramos acoplamiento electromecanico ultrastrong, lo que abre la puerta a trabajo