京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(理学) / 甲第18056号 / 理博第3934号 / 新制||理||1567(附属図書館) / 30914 / 京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻 / (主査)准教授 戸塚 圭介, 教授 石田 憲二, 教授 川上 則雄 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Science / Kyoto University / DFAM

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[pt] Neste trabalho estudamos as propriedades eletrônicas e de transporte de uma molécula artificial diatômica que consiste de dois pontos quânticos conectados a dois contatos submetidos a um potencial externo. Cada ponto quântico é descrito por um nível de energia no qual os elétrons estão fortmente correlacionados pela interação Coulombiana no interior e entre os pontos quânticos. Duas topologias são consideradas para o sistema: uma corresponde aos dois pontos dispostos numa linha de condução e o outro a uma configuração em paralelo. O problema é tratado com as funções de Green obtidas a partir do formalismo de Keldysh para o sistema fora do equilíbrio. Estas funções permitem o cálculo da carga nos pontos quânticos e da corrente elétrica no sistema. A física do sistema é controlada principalmente pelas várias interações Coulombianas. Para a configuração em paralelo existem dois canais interferindo para a propagação do elétron pelo sistema, cujas propriedades dependem do estado de carga de cada ponto quântico. Para a configuração em série a corrente é controlada pela possibilidade da carga ser drenada de um ponto quântico ao outro. O estado de carga em cada ponto quântico e a corrente elétrica são discutidos em detalhe para as duas configurações e para diferentes valores dos parâmetros que definem o sistema. / [en] In this work we study the electronic and transport properties of an artificial diatomic molecule consisting of two quantum dots connected to two leads under the effect of an applied potential. Each dot is described by one energy level in which the electrons are supposed to be strongly correlated due to intra-dot and inter-dot Coulomb interaction. Two topologies are considered for the system: one corresponds to two dots along a conducting line and the other in a parallel configuration. The problem is treated using the out-of-equilibrium Green function Keldysh formalism. The Green functions permit the calculation of the charge in the dots and the electronic current of the system. The physics is controlled mainly by the various Coulomb interactions. For the parallel configuration there are two interfering channels for the electron to go along the system, which properties depend upon the state of charge of each dot. For the serial configuration the current is controlled by the possibility of the charge to be drained from one dot to the other. The state of charge at each dot and the electronic current are discussed in detail for the two configurations and for different values of the parameters that define the system.

Après la découverte de la magnéto-résistance géante (GMR) par Albert Fert et Peter Grünberg, l'électronique a connu une véritable avancée avec la naissance d'une nouvelle branche appelée spintronique. Cette discipline, encore jeune, consiste à exploiter le spin des électrons dans le but notamment de stocker de l'information numérique. La plupart des dispositifs exploitant cette propriété quantique des électrons consistent en une alternance de fines couches magnétiques et non magnétiques sur un substrat semi-conducteur. L'un des outils de choix pour la caractérisation de ces structures, inventé en 1988 par Kaiser et Bell, est le microscope à émission d'électrons balistiques (BEEM). A l'origine, ce microscope, dérivé du microscope à effet tunnel (STM), était dédié à l'imagerie d'objets (nanométriques) enterrés ainsi qu'à l'étude de la barrière de potentiel (barrière Schottky) qui se forme à l'interface d'un métal et d'un semi-conducteur lors de leur mise en contact. Avec l'essor de la spintronique, le BEEM est devenu une technique de spectroscopie essentielle mais encore fondamentalement incomprise. C'est en 1996 que le premier modèle réaliste, basé sur le formalisme hors équilibre de Keldysh, a été proposé pour décrire le transport des électrons dans cette microscopie. Il permettait notamment d'expliquer certains résultats expérimentaux jusqu'alors incompris. Cependant, malgré son succès, son usage a été limité à l'étude de structures semi-infinies via un méthode de calcul appelée décimation de fonctions de Green. Dans ce contexte, nous avons étendu ce modèle au cas des films minces et des hétéro-structures du type vanne de spin : partant du même postulat que les électrons suivent la structure de bandes du matériaux dans lesquels ils se propagent, nous avons établi une formule itérative permettant le calcul des fonctions de Green du système fini par la méthode des liaisons fortes. Ce calcul des fonctions de Green a été encodé dans un programme Fortran 90, BEEM v3, afin de calculer le courant BEEM ainsi que la densité d'états de surface. En parallèle, nous avons développé une autre méthode, plus simple, qui permet de s'affranchir du formalisme hors équilibre de Keldysh. En dépit de sa naïveté, nous avons montré que cette approche permettait l'interprétation et la prédiction de certains résultats expérimentaux de manière intuitive. Cependant, pour une étude plus fine, le recours à l'approche “hors équilibre” reste inévitable, notamment pour la mise en évidence d'effets d'épaisseur, lés aux interfaces inter-plans. Nous espérons que ces deux outils puissent se révéler utiles aux expérimentateurs, et notamment pour l'équipe Surfaces et Interfaces de notre département. / After the discovery of Giant Magneto-Resistance (GMR) by Albert Fert and Peter Grünberg, electronics had a breakthrough with the birth of a new branch called spintronics. This discipline, while still young, exploit the spin of electrons, for instance to store digital information. Most quantum devices exploiting this property of electrons consist of alternating magnetic and nonmagnetic thin layers on a semiconductor substrate. One of the best tools used for characterizing these structures, invented in 1988 by Kaiser and Bell, is the so-called Ballistic Electron Emission Microscope (BEEM). Originally, this microscope, derived from the scanning tunneling microscope (STM), was dedicated to the imaging of buried (nanometer-scale) objects and to the study of the potential barrier (Schottky barrier) formed at the interface of a metal and a semiconductor when placed in contact. With the development of spintronics, the BEEM became an essential spectroscopy technique but still fundamentally misunderstood. It was in 1996 that the first realistic model, based on the non-equilibrium Keldysh formalism, was proposed to describe the transport of electrons during BEEM experiments. In particular, this model allowed to explain some experimental results previously misunderstood. However, despite its success, its use was limited to the study of semi-infinite structures through a calculation method called decimation of Green functions. In this context, we have extended this model to the case of thin films and hetero-structures like spin valves: starting from the same postulate that electrons follow the band structure of materials in which they propagate, we have established an iterative formula allowing calculation of the Green functions of the finite system by tight-binding method. This calculation of Green’s functions has been encoded in a FORTRAN 90 program, BEEM v3, in order to calculate the BEEM current and the surface density of states. In parallel, we have developed a simpler method which allows to avoid passing through the non-equilibrium Keldysh formalism. Despite its simplicity, we have shown that this intuitive approach gives some physical interpretation qualitatively similar to the non-equilibrium approach. However, for a more detailed study, the use of “non-equilibrium approach” is inevitable, especially for the detection of thickness effects linked to layer interfaces. We hope these both tools should be useful to experimentalists, especially for the Surfaces and Interfaces team of our department.

Un conducteur est bien caractérisé par sa conductance donnée par la formule de Landauer. Toutefois, le bruit contient davantage d'informations. Il mesure les fluctuations temporelles du courant autour de sa valeur moyenne. De plus, le signe des corrélations croisées est lié à la statistique des porteurs de charge. Cette thèse aborde deux principaux thèmes à savoir le transport dans les liquides de Luttinger et dans les structures hybrides. Dans la première partie, nous commençons par donner une vision détaillée des liquides de Luttinger et des systèmes qu'ils modélisent. Nous parlons également du formalisme de Keldysh permettant de traiter des problèmes hors équilibre. Puis, nous rentrons dans le vif du sujet en étudiant l'effet de la largeur d'un contact ponctuel quantique sur le courant de rétrodiffusion entre les deux états de bords de l'effet Hall quantique. L'augmentation de la largeur du contact ponctuel quantique entraîne une forte diminution du courant de rétrodiffusion. Dans un autre chapitre, nous développons une technique permettant l'utilisation d'un circuit RLC couplé inductivement au circuit mésoscopique pour détecter les corrélations de courant en régime photo-assisté. La mesure de ces corrélations s'effectue à travers la charge aux bornes du condensateur. Dans une deuxième partie, nous consacrons notre étude au transport non-local dans les structures hybrides supraconductrices. L'étude de la réflexion d'Andreev croisée y est détaillée. Finalement, nous étudions une structure en double point quantique reliée à deux électrodes en métal normal et une supraconductrice. Nous mettons en avant la séparation des paires de Cooper en mesurant simultanément les courants de branchement et les corrélations croisées. Nous démontrons que dans le régime antisymétrique, c'est-à-dire lorsque les deux points quantiques ont des niveaux d'énergie opposés par rapport au potentiel chimique du supraconducteur, la réflexion d'Andreev croisée est optimisée. / The conductance is the most natural quantity to characterize a quantum conductor. It is given by the Landauer Formula. However, noise contains more information. It measures the current fluctuations around its average value. Moreover, the sign of the crossed correlations is related to the statistics of carriers. This thesis broaches two main topics which are the transport in the quantum Hall effect and in hybrid circuits.First, we start by introducing the Luttinger liquid and the systems which are modelized by them. Also, we discuss the Keldysh formalism in order to treat nonequilibrium problems. Then, we study the effect of the width of a quantum point contact on the backscattering current between two edge states of the quantum Hall effect. By increasing the width of the quantum point contact, we show that the backscattering current is strongly reduced. In another chapter, we develop a technique to use a RLC circuit inductively coupled to a mesoscopic circuit in order to measure the current correlations in the photo-assisted regime. The measurement of these correlations is performed through the charge on the capacitor plates.Secondly, we present the non-local transport in hybrid structures. The mechanism of Crossed Andreev Reflection is explained. Finally, we study a double quantum dot connected to two normal leads and a superconducting lead. We introduce the separation of the Cooper pair by measuring together the branching currents and the crossed correlations. We demonstrate that in the anti-symmetric regime (the energy level of the two quantum dots have opposite values with respect to the chemical potential of the superconducting lead), crossed Andreev reflection is optimized.