Cette thèse présente une étude des propriétés de transport à basse température d'échantillons de graphène exfolié. Une première série de mesures menée à une température de 4 Kelvins sur des échantillons contactés par des électrodes constituées d'une bicouche titane/or révèle les phénomènes d'effet Hall quantique et de fluctuations universelles de conductance. L'effet Hall présente une quantification demi-entière propre au graphène. Le caractère universel des fluctuations de conductance est confirmé par les mesures, et une réduction de la longueur de cohérence de phase est observée au point de Dirac. Une autre série d'échantillons, connectés par des électrodes en titane/aluminium, permet l'étude de l'effet de proximité supraconducteur dans le graphène. Ces mesures sont réalisées à des températures comprises entre 100mK et 1K. Dans un premier échantillon, elles font apparaitre le phénomène de réflexions d'Andreev multiples et un précurseur de l'effet Josephson, ainsi qu'une amplification des fluctuations universelles de conductance lorsque les électrodes sont dans l'état supraconducteur. Dans un second échantillon, la présence de localisation forte tend à diminuer l'amplitude des fluctuations universelles de conductance, entrant ainsi en compétition avec l'effet de proximité.

Cette thèse est consacrée à la manipulation d'excitations mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique, par l'implémentation d'expériences d'optique quantique électronique avec la résolution d'une charge élémentaire. Une capacité mésoscopique produit à la demande des excitations monoélectroniques dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique. Nous mesurons les fluctuations de courant après partitionnement des excitations sur une lame séparatrice électronique, dans un analogue de l'expérience de Hanbury-Brown & Twiss, afin de révéler les excitations neutres (paires électron/trou) qui peuvent accompagner la charge produite. Les excitations thermiques dans la mer de Fermi sont alors responsables d'interférences à deux particules qui permettent d'obtenir des informations sur la distribution en énergie des quasiparticules émises par la source. A l'aide de deux sources indépendantes et synchronisées, nous générons deux quasi-particules indiscernables, qui interfèrent sur une lame séparatrice dans un analogue de l'expérience de Hong-Ou-Mandel. La visibilité de ce phénomène est possiblement limité par la décohérence des paquets d'ondes électroniques par interaction avec l'environnement, notamment les autres canaux de bords. En mesurant le couplage capacitif entre deux canaux de bords co-propageant, nous caractérisons les effets de l'interaction coulombienne et mettons en évidence un mode neutre de propagation. Ces expériences constituent les premières implémentations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques, et permettent d'envisager des expériences plus complexes comme la tomographie d'un paquet d'onde mono-électronique.

Ces dernières années d'importantes avancées techniques dans la manipulation des gaz atomiques ultrafroids ont ouvert la voie à la réalisation de fluides quantiques mésoscopiques de basse dimension. L'objet de cette thèse est l'étude théorique de certains systèmes mésoscopiques réalisables avec un gaz de Bose unidimensionel. Ces systèmes présentent des phénomènes quantiques intéressants, et sont potentiellement utiles en vue d'applications technologiques. Nous étudions le phénomène des courants permanents induits dans un gaz confiné sur un anneau par la rotation d'une barrière de potentiel, nous examinons la faisabilité d'un qubit fondé sur la superposition d'états de courant dans un réseau en forme d'anneau traversé par un champ de jauge et contenant un 'weak-link', ainsi que l'excitation dipolaire du gaz dans un 'split-trap' induit par le déplacement hors équilibre du potentiel externe. Dans tous ces cas, nous combinons diverses approches analytiques et numériques, qui permettent de couvrir l'ensemble des régimes d'interactions. Nous mettons en lumière un régime jusque-là inconnu, d'écrantage maximal des barrières de potentiel par le fluide, dû à une competition entre les effets des interactions et des fluctuations quantiques. Ces résultats ont des conséquences significatives sur le comportement de tels systèmes et, de ce fait, sont importants pour les réalisations en cours et à venir de dispositifs à gaz d'atomes ultrafroids. / Thanks to the experimental breakthrough of the last years in the manipulation of ultra cold atomic gases, it has become possible to realize low-dimensional and mesoscopic quantum fluids. The object of this thesis is the theoretical investigation of a few mesoscopic systems that can be realized with a one-dimensional Bose gas. These systems exhibit interesting quantum phenomena, and are potentially relevant for technological applications. We study the phenomenon of persistent currents induced by stirring the gas confined on a ring with a potential barrier, we examine the feasibility of a qubit based on the superposition of current states in a ring lattice threaded by a gauge field in the presence of a weak-link, and we investigate the dipole excitation of the gas in a split trap induced by an out-of-equilibrium displacement of the external potential. In all these cases, we apply a combination of analytical and numerical approaches that allow to cover all the interaction regimes. As a recurring theme, we disclose a so-far unknown regime of maximal screening of the barrier potential by the fluid, arising from the interplay of effects due to interactions and quantum fluctuations. These results have significant consequences for the behaviour of such systems and are important for the ongoing and future realization of ultracold atomic gases devices.

Pendant ce travail de thèse, j'ai tout d'abord finalisé le développement d'un système expérimental unique dédié aux études de transport électronique de nanostructures multi-terminaux de faible impédance. Ce dispositif permet des mesures de conductance et de bruit à très basse température (30 mK), avec une résolution du pico-ampère en utilisant des SQUIDs comme amplificateurs de courant. Dans le chapitre 5, je fournis une description du fonctionnement de la mesure. De plus, je décris la calibration du dispositif et la manière de déduire des quantités physiques à partir des mesures.Au Chapitre 6, je décris des mesures de transport avec des jonctions diffusives à trois terminaux (trijonctions). Dans une géométrie, que l'on appelle T-shape, des électrodes supraconductrices d'Aluminium sont connectées entre-elles par une partie centrale métallique non-supraconductrice de Cuivre. Pour ces nanostructures, on observe des anomalies de conductance à basse tension qui n'ont jamais été observées expérimentalement. Ces anomalies de résistance/conductance ressemblant fortement à l'effet Josephson apparaissant lorsque deux des potentiels appliqués à la trijonction ont une somme nulle. Les anomalies sont présentes sur une large échelle de tension sans perte d'amplitude. De-même, elles montrent une grande robustesse en température. Des expériences sous champ magnétique appliqué montrent une forte suppression des anomalies pour un champ magnétique correspondant à flux magnétique dans la partie normale de l'ordre d'un quantum de flux. Ceci indique qu'un mécanisme cohérent de phase doit être à l'origine des anomalies. Dans la littérature, deux mécanismes sont proposés pour expliquer ces effets.Le premier, nommé "mode-locking", est un accrochage dynamique des courants Josephson ac, qui est induit par l'environnement expérimental (circuit). Cette situation a été étudiée dans les années soixante sur des microstructures Josephson couplées à base de liens faibles. Pour tester cette explication, nous avons mesuré un échantillon composé de deux jonctions Josephson spatialement séparées. Les anomalies n'apparaissent pas dans une telle géométrie, pas même avec une amplitude réduite. Ceci indique qu'une synchronisation par l'environnement expérimental ne peut pas être à l'origine des anomalies observées. Le deuxième mécanisme théorique évoqué est nommé "mode de quartet" et a été proposé récemment par Freyn et collaborateurs. L'une des électrodes supraconductrices distribue alors des doublets de paires de Cooper. Chacune de ces deux paires se scindent alors en deux quasiparticles se propageant chacune vers deux contacts supraconducteurs différents. Dans un tel mécanisme deux quasiparticules, issues de deux paires de Cooper différentes, arrivent sur chacun des deux contacts supraconducteurs. Lorsque les tensions appliquées entre le contact supraconducteurs émetteur et les deux autres contacts sont exactement opposés, les phases des fonctions d'ondes électroniques des quasiparticules arrivant sur un même contact supraconducteur sont telles que ces deux quasiparticules peuvent se recombiner pour former une paire de Cooper. Par ce mécanisme le doublet de paires de Copper émis se distribue de manière cohérente en deux paires de Cooper chacune dans un contact supraconducteur différent.Ce mécanisme est favorable, car il est robuste envers le désordre et peut ainsi exister sur une large échelle de tensions.Au cours de cette thèse, j'ai montré que ces anomalies sont effectivement présentes pour des tensions appliquées correspondant à des énergies bien supérieures à l'énergie de Thouless. A contrario, les effets cohérents responsables de l'effet Josephson ac doivent être fortement atténués sur cette même échelle d'énergie, ce qui rend peu probable le mécanisme de mode-locking. / During this PhD, I have first finished the development of a unique experimental set-up, dedicated for studies of electronic transport of low impedance multi-terminal nanostructures. This set-up allows conductance and noise measurements at very low temperature (30 mK), with a resolution of a few pico-ampere by using SQUIDs as current amplifiers. In chapter 5, I give some explanation of the measurement working principle. Furthermore, I explain the calibration of the experimental set-up as well as how to extract physical quantities from the measurements.In chapter6, I explain transport measurements on diffusive tri-terminal junctions (tri-junction). In a T-shape called geometry, the superconducting Al-electrodes are connected via a common metallic, non-superconducting part of Copper. For these nanostructures, we observe features in the conductance at low voltage, which have been never observed yet experimentally. These features in conductance/resistance have a striking resemblance with a dc-Josephson effect, appearing when two applied potentials on the tri-junction compensate exactly each other.In literature, two mechanisms are proposed to explain this effect.The first mechanism, called "mode-locking", corresponds to a dynamic locking of ac-Josephson currents, which is induced by the experimental environment (circuit). This situation has been extensively studied in the 60's on coupled microstructures, based on weak links. In order to test this explanation, we have measured a junction, which is composed of two spatially separated Josephson junctions. The anomalies does not show up in such a geometry, even not with strongly reduced amplitude. This indicates, that synchronization via the experimental environment can't be the origin of the observed features. The second theoretical mechanism is named "quartet-mode" and has been recently proposed by Freyn and Co-workers. In this process, one superconducting electrode emits doublets of Cooper-pairs. Each of the two pairs splits into two quasi particles propagating toward different superconducting contacts. In such a mechanism, two quasi-particles originating of two different Cooper-pairs, arrive each in the two superconducting contacts. If the applied voltage between the emitting superconducting contact and the two other contacts is exactly opposite, the phase of the electronic wave functions of the arriving quasi-particles on the same superconducting contact are such, that these two quasi-particles can recombine by forming a Cooper-pair. Due to this mechanism, the emitted doublet of Cooper-pairs is coherently distributed as two Cooper-pairs, each of them in a different superconducting contact. This mechanism is favored, since it is robust with respect to disorder and can hence also exist over a large range of voltage. During this PhD, I have shown that these anomalies are indeed present for applied voltage corresponding to energies well above the Thouless energy. Argumentum a contrario, the coherent effects responsible for the ac Josephson-effect have to be strongly attenuated over the same range of energy, which makes low probable the effect of mode-locking.

Ce mémoire de thèse présente trois expériences portant sur le transport quantique dans les conducteurs cohérents à l’échelle élémentaire du canal de conduction. La première étudie comment le transport d’électricité dans un canal est affecté lorsque le canal est inséré dans un circuit modélisé par une impédance linéaire. Nous avons observé empiriquement une loi d’échelle à laquelle obéit la conductance du canal et nous avons démontré expérimentalement une analogie entre ce système et les liquides de Tomonaga-Luttinger. La deuxième s’intéresse à la nature de la charge d’un îlot métallique couplé électriquement au monde extérieur par deux canaux de conduction. Dans le régime de couplage faible, il est bien connu que cette charge est quantifiée en unités de la charge de l’électron. Ici, nous avons caractérisé la transition vers le régime de couplage fort, où la quantification de la charge est détruite par les fluctuations quantiques. La troisième concerne le transport de chaleur dans les conducteurs cohérents. Grâce à un système de mesure de bruit implémenté au cours de ce travail de thèse, nous avons pu, pour la première fois, mesurer quantitativement la conductance thermique d’un unique canal de conduction électronique, que nous avons trouvée en accord avec le quantum de conductance thermique à une résolution de quelques pourcents. / This thesis presents three experiments focusing on quantum transport in coherent conductors at the elementary scale of the conduction channel. The first one studies how electrical transport in a channel is modified when the channel is embedded in a linear circuit characterized by an impedance. We observed empirically that the channel conductance obeys a scaling law and we demonstrated experimentally a mapping of this system to the so-Called Tomonaga-Luttinger liquids. The second one is interested in the charge of a metallic island electrically coupled to the outside world through two conduction channels. In the weak coupling regime, it is well-Known that the island charge is quantized in units of the electron charge. Here we characterized the crossover to the strong coupling regime where charge quantization is destroyed by quantum fluctuations. The third one is about heat transport in coherent conductors. Thanks to a noise measurement setup implemented during this thesis, we were able to measure quantitatively for the first time the thermal conductance of a single electronic channel, which we found in agreement with the thermal conductance quantum to a few % accuracy.

Les effets de cohérence quantique sont au cœur de la physique mésoscopique : ils gouvernent le comportement des conducteurs dont la taille devient comparable à la longueur de cohérence de phase des électrons Lf.<br />Les expériences présentées dans cette thèse concernent les effets de la cohérence de phase électronique sur les propriétés de transport de conducteurs métalliques diffusifs.<br />Nous nous sommes d'abord intéressés aux mécanismes de déphasage électronique en mesurant la magnétorésistance de localisation faible de fils quasi-1D en or contenant des impuretés magnétiques de fer, à très basse température. Le comportement du temps de cohérence de phase électronique tf mesuré s'explique bien dans le cadre de la physique des impuretés Kondo, par la combinaison de l'effet Kondo à une impureté, et des interactions entre impuretés de type RKKY. Ce résultat est une contribution importante dans le débat sur la saturation de tf à très basse température.<br />Ensuite, nous avons étudié les oscillations quantiques de magnétoconductance, Altshuler-Aronov-Spivak (AAS), et Aharonov-Bohm (AB), dans des réseaux 2D d'anneaux en argent présentant différentes géométries. Notamment, à partir d'une théorie récente, nous avons extrait tf à partir des harmoniques de Fourier de l'oscillation AAS. La dépendance en température mesurée, différente de celle extraite d'un fil quasi-1D, laisse supposer un effet de la topologie sur le déphasage. Enfin, nous avons mesuré la dépendance en taille des amplitudes des oscillations AB et AAS dans des réseaux de 10^6 à 10 anneaux : lorsqu'une dimension du réseau devient inférieure à Lf, la moyenne d'ensemble des oscillations quantiques est non triviale, révélant que des interférences quantiques subtiles dominent le transport. C'est une signature spectaculaire de la transition dimensionnelle vers la physique mésoscopique.

Cette thèse décrit deux expériences mettant en lumière l'existence d'un degré de liberté fermionique dans l'effet Josephson: le doublet d'Andreev. Elles sont toutes les deux réalisées sur l'élément Josephson le plus élémentaire qui soit, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans la première, nous avons observé la disparition du supercourant, qui traduit le piégeage spontané d'une quasiparticule dans l'un des deux états liés d'Andreev. Dans la seconde, nous avons réalisé la spectroscopie photonique de ce système à deux niveaux, en utilisant une jonction Josephson à la fois en tant qu'émetteur et détecteur microonde. On peut bien rendre compte des spectres observés avec un modèle spin-boson incluant le doublet d'Andreev et un mode électromagnétique de l'environnement.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la physique mésoscopique. Plus particulièrement, on s'est intéressé aux effets de taille finie et aux effets de l'écrantage causé par une pointe de STM dans un fil quantique, ceci à travers les comportements du courant, du bruit non-symétrisé et de la conductance. Ces études reposent sur, d'une part, la théorie des liquides de Luttinger qui permet de décrire les systèmes 1D d'électrons fortement corrélés et d'autre part, le formalisme Keldysh permettant de considérer des situations hors équilibre. <br />Le bruit présente un comportement non poissonien, résultant des effets de taille finie. A travers le transport photo-assisté, il est également montré que ces effets masquent ceux des interactions coulombiennes. En considérant la proximité entre la pointe de STM, qui sert de sonde comme d'injecteur d'électrons, et un fil quantique, des effets d'écrantage apparaissent. Il est montré qu'ils jouent un rôle similaire à ceux des interactions coulombiennes.

Cette thèse porte sur l'étude du transport électronique dans des structures de faibles dimensionnalités en silicium dopé. Elle s'inscrit notamment dans le contexte de la compréhension du transport mésoscopique et de la miniaturisation des dispositifs MOS.<br />Les nanostructures sont réalisées par oxydation localisée sous la pointe d'un microscope à force atomique (AFM), sur des substrats silicium sur isolant (SOI) ultra-minces. Cette technique a été choisie pour sa souplesse, sa résolution (10nm), l'absence d'effet de proximité. Elle permet d'obtenir des nanostructures de quelques centaines de nm2 de section.<br />Tandis qu'à température ambiante le comportement électronique est semblable à celui d'un dispositif MOS/SOI, à basse température des oscillations de courant se superposent à l'effet de champ, pour dominer le transport en dessous de 70K. Ainsi, le transport électronique est dominé par le blocage de Coulomb, qui se traduit par des oscillations de courant, une loi d'activation en température de la conductance et des structures de type « diamant de Coulomb » dans la carte de courant en fonction des tensions de grille et de drain. Nous associons le blocage de Coulomb dans ces structures aux puits de potentiel créés par la présence de dopants à l'intérieur du nanofil. Pour les faibles dopages les nanofils se comportent comme de chaînes unidimensionnelles d'îlots en série, alors que pour les forts dopages leur comportement se modélise par des chaînes bidimensionnelles.<br />La technique originale de nanofabrication utilisée permet la réalisation de nanostructures de test en vue d'explorer les mécanismes de conduction dans le silicium nanostructuré.

Lorsqu'un supraconducteur (S) est mis en contact électrique avec un métal normal (N), il transfert à ce dernier des propriétés supraconductrices sur une faible épaisseur : ce phénomène s'appelle "l'effet de proximité". L'objectif de cette thèse consiste à étudier la cohérence quantique dans N à travers ce phénomène grâce à un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à 1.6 K et 50 mK. L'avantage de cette méthode expérimentale est d'être en mesure d'observer l'échantillon et de déterminer ses propriétés électroniques locales simultanément avec une grande résolution spatiale et énergétique. L'effet de proximité a déjà été observé expérimentalement dans le cas où les dimensions du métal normal et du supraconducteur peuvent être considérés comme infinies. En régime diffusif, la densité d'états locale présente un pseudo-gap dans N qui se referme à mesure que l'on s'éloigne de l'interface [S-N]. Cependant, si les dimensions de N sont plus petites que la longueur de cohérence de phase, un mini-gap relié à l'énergie de Thouless se développe, traduisant l'établissement des propriétés supraconductrices dans tout le volume du métal normal. En régime balistique, des conclusions similaires s'appliquent selon le caractère intégrable (pseudo-gap) ou chaotique (mini-gap) des structures métalliques en contact avec le supraconducteur. Afin d'observer expérimentalement ces effets, nous avons fabriqué par lithographie électronique des échantillons où des motifs de métal normal, de taille mésoscopique et de différentes géométries, sont présents à proximité d'un supraconducteur. Nous avons mis en évidence des pics très fins dans les spectres de la conductance tunnel différentielle locale. Nous pensons qu'ils révèlent la présence d'états résonnants d'Andreev, impliquant l'existence de trajectoires électroniques semi-classiques satisfaisant la relation de quantification de De Gennes-St James. Dans le cadre de cette thèse, nous avons aussi saisi l'opportunité d'étudier les propriétés électroniques des films supraconducteurs désordonnés de nitrure de titane. A mesure que l'épaisseur des films est réduite, la diminution du potentiel effectif d'attraction des électrons et les effets de localisation donnent lieu à une transition supraconducteur-isolant (T.S.I.), observée par des études de magnéto-transport. Grâce au STM, la détermination de la densité d'états locale sur ces mêmes films a permis de révéler la co-existence de domaines supraconducteurs et normaux ainsi qu'une évolution spatiale des mesures spectroscopiques très inhabituelle. Ce matériau présente donc des propriétés supraconductrices inhomogènes pouvant jouer un rôle important dans les mécanismes de la T.S.I.