La compréhension de la dynamique du transport électronique dans des conducteurs balistiques et cohérents est indispensable à la réalisation d’expériences d’optique électronique ou de calcul quantique à partir de « flying qu-bits ». La première étape est de pouvoir injecter en régime d’effet Hall quantique un électron dans la mer de Fermi sans excitation supplémentaire : un léviton, dont les propriétés remarquables ont été expérimentalement démontrées sans champ magnétique [1], ainsi que contrôler sa trajectoire à l’aide d’interrupteurs quantiques. Dans ce travail de thèse, nous avons réalisé l’étape préliminaire qui valide la possibilité de créer des lévitons en régime d’effet Hall Quantique : cela consiste à démontrer la validité de la théorie de bruit photo-assisté dans ce régime, en utilisant une excitation sinusoïdale et monochromatique, plus simple et plus contrôlée, que celle conduisant aux lévitons. En outre, nous avons étudié lors de la thèse le phénomène physiquement relié de l’interrupteur quantique élémentaire, qui est l’ouverture et la fermeture très soudaine d’un canal de conduction élémentaire. Ce phénomène, qui pose la question fondamentale « Que se passe-t-il lorsque que la mer de Fermi est spatialement coupée en deux ? », génère un bruit intrinsèque de charge [2] que nous avons mis en évidence et donne une mesure théorique de l’entropie d’intrication quantique.[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, and D. C. Glattli. minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons. Nature, 502(7473), October 2013.[2] Israel Klich and Leonid Levitov, Phys. Rev. Lett. 102, 100502 (2009) / The study of dynamic electronic transport in ballistic coherent conductor is required for the implementation of electron quantum optics experiments or the quantum computation by using “flying qu-bits”. The first step is to be able to inject in the quantum Hall effect a single electron without any additional excitations in the conductor: a Leviton, whose remarkable properties have been experimentally observed without magnetic field [1], and to control its trajectory thanks to a quantum switch. During this thesis, we confirmed the possibility to implement a leviton in the quantum Hall effect, by demonstrating the validity of the photo-assisted shot-noise theory in this regime: we use a sine excitation which is simpler to implement than a lorentzian excitation required for Levitons. We also studied a new effect described by the photo-assisted theory: a quantum switch, which is the sudden closing and opening of an elementary channel of conduction. This generates an intrinsic charge noise [2] that we have evidenced and enable us to answer the general question: “What are the effects of a spatial separation of the Fermi sea?”. Furthermore, this charge noise provides a theoretical measurement of the entanglement entropy.[1] J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, and D. C. Glattli. minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons. Nature, 502(7473), October 2013.[2] Israel Klich and Leonid Levitov, Phys. Rev. Lett. 102, 100502 (2009)

Dans certains états quantique de la matière, le courant peut être transporté par des porteurs de charges ayant une fraction e* de la charge élementaire. C'est notamment le cas de l'Effet Hall quantique fractionnaire (EHQF) qui se produit pour des systèmes électroniques bidimensionels à basse température et soumis à un fort champ magnetique perpendiculaire. Quand le nombre de quantum de flux en unité h/e est une fraction du nombre d'électrons, le courant se propage le long des bords de l'échantillon sans dissipation. Les porteurs de charges impliqués dans le transport portent une charge fractionnaire. La mise en évidence de ces charges peut être faite via les faibles fluctuations de courant dûes à la granularité de la charge. Nous présentons ici une méthode fiable de mesure de la charge fractionnaire basée sur des correlations croisées de fluctuations de courant. La dynamique de ces charges fractionnaires lorsque l'échantillon est irradié avec des photons GHz est étudiée, permettant la mesure de la fréquence Josephson des charges fractionnaires. Ces mesures valident les processus photo-assisté en régime d'EHQF et permettent une manipulation résolue en temps des charges fractionnaires, dans le but de réaliser une source d'anyon sur le principe du léviton afin de réaliser des tests de la statistique anyonique de ces charges fractionnaires. / In some quantum matter states, the current may remarkably be transported by carriers that bear a fraction e* of the elementary electron charge. This is the case for the Fractional quantum Hall effect (FQHE) that happens in two-dimensional systems at low temperature under a high perpendicular magnetic field. When the number of magnetic flux in units of h/e is a fraction of the number of electron, a dissipationless current flows along the edges of the sample and is carried by anyons with fractional charge. The observation of the fractional charge is realized through small current fluctuations produced by the granularity of the charge. Here is presented a reliable method to measure the fractional charge by the mean of cross-correlation of current fluctuations. Moreover, the dynamical properties of those charges is probed when the sample is irradiated with photos at GHz frequency. The long predicted Josephson frequency of the fractional charge is measured. Those measurements validate Photoassisted processes in the FQHE and enable timedomain manipulation of fractional charges in order to realize a single anyon source based on levitons to perform tests of the anyonic statistics of fractional charge.

La miniaturisation des composants, qui s’est engagée depuis l’avènement de l’électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd’hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l’espace, présente des propriétés remarquables, telles que l’augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d’énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c’est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d’une différence de température, s’intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d’énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l’équipe, et dont j’ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s’appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d’onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d’or de Fermi. L’étude approfondie du courant dans les SET permet d’extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l’importance de paramètres tels que la taille de l’îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d’électrons occupant la boîte. L’étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d’une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l’utilisation d’un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l’évolution des taux des transferts tunnel d’entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d’électrons supérieur 2, il est possible d’observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L’étude de l’influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel. / After a continuous reduction which has begun 50 years ago, the feature size of electronic devices has now reached the nanometer scale, opening the door to quantum phenomena. The final stage of this miniaturization, the quantum dot, in which the electrons are confined in all three directions of space, has remarkable properties, such as an increase of the bandgap between the conduction band and the valence band, and the discretization of energy levels. Another consequence of confinement, the strong electron-electron interaction occurring in the dot induces a significant charging energy which may prevent an electron entering the dot if an external energy is not provided to the system. This charge blocking is called Coulomb blockade. The single electron transistor (SET), the elementary device taking advantage of Coulomb blockade, is slated for some applications, such as the realization of digital functions or charge sensors. Among the areas concerned, the thermoelectricity, i.e., the possibility of creating an electrical current from a temperature gradient, is very interested in single-electron devices due to their discrete energy levels which lead to a very low thermal conductivity.This thesis presents the simulator SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) developed in the team and the part I have developed specifically for the simulation of SET. It is based on a 3D solver of Poisson and Schrödinger coupled equations, necessary for the determination of the wave functions in the case of silicon, and dependent on voltages applied to the electrodes. Tunnel transfer rates are then calculated by Fermi's golden rule. In-depth study of the current in the SETs gives access to diamond stability diagrams, and demonstrates the importance of parameters such as dot size, tunnel the barriers thicknesses, the temperature and the number of electrons occupying the dot. The study of the electron current and the heat flow in the presence of a temperature difference at the electrodes of an SET is also made to consider the suitability of the use of an SET as thermoelectric generator, but also as a standard for determining the Seebeck coefficient.Finally, a study of shot noise in double-tunnel junction (SET without the gate) is made, demonstrating the strong link between tunnel transfer rate and shot noise. In particular, according to the evolution of in- and out – tunnel transfer rates, for a number of electrons in the dot greater than 2, it is possible to observe a significant increase in noise, which becomes super-Poissonian. The study of the influence of geometrical parameters shows that the shot noise depends mainly on the difference of the tunnel barrier thicknesses.

Ce mémoire présente un résumé de mon travail de chercheur en théorie de la matière condensée. Je présente tout d'abord mon travail de doctorat sur un modèle du supraconducteur à haute température critique Y Ba2Cu3O7. Je décris aussi les calculs de la profondeur de pénétration du champ magnétique, motivés par des expériences, dans le cadre de la théorie de couplage fort électron-phonon d'Eliashberg. La deuxième partie est consacrée aux travaux effectués lors de mon séjour postdoctoral sur la durée de vie d'une quasiparticule dans une boîte quantique. Puis j'aborde le sujet des atomes ultra-froids : modes collectifs et transition BEC-BCS. A cette occasion sont entre autres présentés mes travaux sur les problèmes à trois et quatre corps en mécanique quantique, ainsi que l'équation d'état d'un condensat de bosons composites. Je passe ensuite à mes travaux sur les excitons et le calcul de bruit de courant à travers un point quantique. Enfin, je présente mes projets de recherche.

Dans les prochaines années, la lithographie va devoir opérer un changement technologique majeur, afin de soutenir l'amélioration de la résolution requise par les industriels. La lithographie électronique multifaisceaux est une des alternatives à la photolithographie. Elle allie forte résolution et fort débit. MAPPER lithography développe un outil pour cette technologie. Afin de prendre en compte les contraintes liées au fonctionnement multifaisceaux, une énergie d'accélération des électrons faible a été choisie : 5keV contre 50keV pour les outils usuels de lithographie électronique haute résolution. Cette étude a permis de vérifier qu'une telle stratégie modifie un paramètre clef de la lithographie électronique : la dose d'exposition. Or la dose d'exposition impacte directement différents paramètres : résolution, rugosité des motifs, temps d'exposition, etc. Par ailleurs, il a été démontré qu'un bruit inhérent à la lithographie électronique, lié à la réflexion des électrons par le substrat, est significativement modifié par l'énergie du faisceau. Une compréhension du mécanisme de dépôt d'énergie dans la résine est proposée. Elle permet d'interpréter ces résultats expérimentaux. Enfin, une discussion éclairée sur l'impact de l'énergie du faisceau sur la lithographie a permis de déterminer des paramètres expérimentaux mieux adaptés à l'exposition basse énergie et à l'outil MAPPER en particulier.

Au cours de ma thèse, je me suis intéressé à deux aspects de l'interaction charge-rayonnement dans des jonctions tunnel. Premièrement j'ai étudié la dynamique des transferts de charge à travers une jonction tunnel normale lorsque celle-ci est couplée à un environnement dont l'impédance est comparable au quantum d'impédance (RK= h/e^2). Nous avons montré que les uctuations de courant portent des signatures de processus à un, deux et trois photons. Deuxièmement j'ai caractérisé le rayonnement émis par une jonction Josephson lorsque celle-ci est couplée à deux résonateurs de fréquences différentes, nu_1 et nu_2, et soumise à une tension 2eV = h nu_1+h nu_2. Nous avons montré que les photons sont émis pas paires, ce qui constitue un rayonnement non-classique violant l'inégalité de Cauchy-Schwarz.Nos résultats montrent que le blocage de Coulomb dynamique constitue une ressource pour la production de micro-ondes quantiques. / In this thesis work, I have focused on two aspects of the charge-light interaction for tunnel junctions. On one hand, I have investigated the influence of the coupling to electromagnetic radiation on the dynamics of charge transfer through a normal tunnel junction when the impedance of its environment gets comparable to the resistance quantum (RK=h/e^2). We showed that the current fluctuations bear signature of the processes where one, two or three photons are emitted.On the other hand, we used a Josephson junction, embedded in a circuit made of two resonators at different frequencies, nu_1 and nu_2, and biased at the voltage 2eV=h nu_1+h nu_2. We showed that the Josephson junction emits photon pairs corresponding to a non classical state of radiation which violates the Cauchy-Schwarz inequality.Our results extend the toolbox for performing quantum optics experiments in the microwave domain.

Cette thèse a pour objet l'étude du transport électronique dans les nanotubes de carbone monoparois par l'intermédiaire des fluctuations du courant. L'étude se place dans le cadre de la physique mésoscopique dans des conducteurs balistiques. Dans ce type de conducteur, plusieurs régimes diff´erents peuvent apparaître : blocage de Coulomb, transport modulé par les interférences quantiques, effet Kondo. Nous avons étudié les fluctuations du courant dans un régime d'interféromètre de type Fabry-Pérot électronique qui se présente comme une situation id´eale afin de sonder le régime où l'effet des interactions est faible. Les fluctuations du courant ont été analysées dans le formalisme de Landauer-Büttiker et nous obtenons une bonne correspondance entre la théorie et l'expérience. Nous avons ainsi observé la suppression du bruit dans les régimes de transmission unitaire et, par le biais des données combinées de la conductance et du bruit, nous avons pu déterminer les transmissions pour des canaux de conduction non dégénérés. Par ailleurs, le régime de l'effet Kondo a fait l'objet d'une étude dans laquelle nous avons observé des comportements universels dans la conductance et le bruit. Nous avons ajusté ces différentes grandeurs avec une théorie de bosons esclaves de champ moyen. Finalement, nous avons étudié une configuration de type Hanbury Brown et Twiss : un nanotube monoparoi sur lequel nous avons déposé un multiparoi qui nous sert de sonde afin d'injecter des électrons sur le conducteur.