Nous avons étudié la dynamique des électrons dans des réseaux de nanoparticules métalliques. Nous avons d'abord considéré le réseau le plus simple, c'est-à-dire le dimère de nanoparticules. Nous avons trouvé des fréquences propres du dimère hétérogène et ensuite nous avons appliqué l'approche du système quantique ouvert pour décrire les processus d’amortissement présents dans le système. Nous avons étudié deux processus d’amortissement qui dépendent de la taille des nanoparticules constituant le dimère: l'amortissement de Landau avec une proportionnalité inverse à la taille du système, et l’amortissement radiatif, proportionnel au volume du système. En utilisant les résultats de l'étude des dimères, nous avons étendu notre approche du système quantique ouvert pour étudier des chaînes de nanoparticules unidimensionnelles. Nous avons dérivé une équation maîtresse qui a été utilisée pour étudier la propagation des plasmons le long de la chaîne. Nous avons constaté que la propagation du plasmon est limitée que par les sources non radiatives d'amortissement. Enfin, nous avons dérivé l'expression analytique de la longueur de propagation d'un plasmon dans une chaîne de nanoparticules. / We studied the electron dynamics in metallic nanoparticle arrays. We first considered the simplestarray i.e. a nanoparticle dimer. We found the eigenfrequencies of the heterogeneous dimer andthen we applied the open quantum system approach to describe the decay processes present inthe system. We investigated two decay processes which depend on the size of the nanoparticlesbuilding up the dimer : the Landau damping, inversly proportional to the system-size, and radiationdamping, proportional to the volume of the system. Using the results of the dimer study weextended our open quantum system approach to study one-dimensional nanoparticle chains. Wederived a master equation and used it to investigate the propagation of plasmons along the chain.We found that the propagation of the plasmon is limited by the non-radiative sources of damping.Finally we derived an analytical expression for the propagation length of a plasmon in ananoparticle chain.

La supraconductivité par effet de proximité est un phénomène apparaissant à basse températures qui confère des propriétés supraconductrices à un métal normal cohérent de phase connecté à des électrodes supraconductrices. C'est aussi un outil puissant de la physique mésoscopique, car il est sensible aux différents régimes de transport à basse température. En particulier, nous avons utilisé cet effet afin de révéler les propriétés électroniques spéciales de nanofils de Bi monocrystallins. Dans ce système, le transport est dominé par la surface. De plus, la présence de fort couplage spin-orbite dans le Bi à basse dimension influence profondément sa structure de bande : la bicouche de Bi orienté selon la direction (111) a été prédite d'être isolante dans le volume, mais conductrice sur les bords. Cet effet, appelé l'effet Hall quantique de spin donne lieu a deux états chiraux contra-propageants, qui sont insensibles au désordre tant que la symétrie par renversement du temps est préservée.A travers l'observation de la robustesse du courant critique à fort champ magnétique dans plusieurs échantillons, en même temps que des intérférences de type SQUID à bas champ magnétique, nous avons montré l'existence d'états de bord 1D portant le supercourant. La mesure de la relation courant-phase grâce à la technique de SQUID asymétrique sur un nanofil caractérisé auparavant a été réalisée et démontre que ces canaux sont en fait balistiques. Ces résultats sont compatibles avec des simulations de type liaisons fortes, qui étendent les résultats connus pour la bicouche de Bi (111) aux systèmes de type nanofil. L'ajout d'un champ Zeeman dans le plan permet d'observer des transitions 0-π, révélant ainsi des croisements de niveaux induits par la séparation en spin des états d'Andreev. Enfin, des mesures de la susceptibilité dynamique de ce système via des mesures de spectroscopie micro-onde ont été mises en place, et pourraient démontrer de manière univoque la propriété de protection topologique contre le désordre, d'après nos simulations numériques. / The superconducting proximity effect is a phenomenon occurring at low temperatures that conveys superconducting properties to a phase coherent normal metal sample connected to superconducting electrodes. It is also a powerful tool in mesoscopic physics because it is sensitive to different transport regimes at low temperatures. In particular, we have used this effect to reveal the special electronic transport properties of single crystal Bi nanowires. In this system, the transport is dominated by surface states. Moreover, the presence of strong spin-orbit coupling in Bi at low dimensions deeply influences its electronic structure : it was predicted that (111) oriented Bi bilayer are insulating in the bulk, but conducting along the edges. This so called Quantum Spin Hall Effect (QSHE), gives rise to counterpropagating chiral edge states, that are protected against disorder as long as time reversal symmetry is present.Through the observation of the resilience of the critical current in several samples at high magnetic field, along with SQUID-like interference pattern at low magnetic field, we showed the existence of supercurrent carrying 1D edge states. The measurement of the current-phase relation using the asymetric SQUID technique on a previously characterized nanowire was realized and further demonstrates that these edge states are ballistic. These findings are consistent with tight-binding simulations that extend the known results for (111) Bi bilayer to nanowire-like system. The addition of an in-plane Zeeman field allows one to observe 0-π transitions, thereby revealing spin-splitting induced Andreev level crossings. Finally, microwave spectroscopy measurement of the dynamical susceptibility in this system are initiated, that could reliably demonstrate the property of protection against disorder according to numerical simulations.By exploring Bi at low dimensions, this thesis paves the way towards the exploration of electronic states fully protected from disorder.

Des états électroniques localisés apparaissent dans les liens faibles entre électrodes supraconductrices : les états d’Andreev. Les expériences présentées dans cette thèse explorent les propriétés de cohérence quantique de ces états, en utilisant comme liens faibles des contacts à un atome entre des électrodes d’aluminium. Les contacts atomiques sont intégrés dans une cavité microonde qui permet à la fois de les isoler et de les sonder.Dans une première série d’expériences, il est montré qu’on peut utiliser les états d’Andreev pour définir un bit quantique, le « qubit d’Andreev », qu’on contrôle à l’aide d’impulsions micro-onde.Les mesures des temps de vie de cohérence de ce qubit sont analysées en détail.Dans une deuxième série d’expérience,l’interaction entre le qubit d’Andreev et le résonateur micro-onde est utilisée pour quantifier le nombre de photons présents dans le résonateur en fonction de la puissance d’impulsions microonde à sa fréquence propre.Enfin, des sauts quantiques et des sauts de parités ont observés dans des mesures continues de l’état du qubit d’Andreev. / Localized electronic states, called Andreev bound states, appear in weak-links placed between superconducting electrodes. The experiments presented in this thesis explore the coherence properties of these states. Single atom contacts between aluminum electrodes are used as weak links. In order to isolate and probe these states, the atomic contacts are integrated in amicrowave cavity.In a first series of experiments, it is shown that Andreev states can be used to define a quantumbit, “the Andreev qubit”, which is controlled using microwave pulses.Measurements of the lifetime and coherence time of this qubit are thoroughly analyzed.In a second series of experiments, the interaction between the Andreev qubit and the microwave cavity are used to determine the number of photons present in the cavity as a function of the power of microwave pulses at its eigenfrequency.Finally, quantum and parity jumps are observed in continuous measurements of the state of the Andreev dot.

Dans cette thèse, nous traitons de l'interaction entre deux états de<br />bord dans le régime de l'effet Hall fractionnaire. Nous nous sommes<br />appuyés sur les réalisations expérimentales récentes de structures<br />(les jonctions quantiques étendues) qui favorisent largement ces<br />interactions.<br /><br />Nous avons d'abord introduit l'effet Hall quantique en mettant<br />l'accent sur la physique des états de bords.<br /><br />Nous avons ensuite étudié le transport tunnel à travers une jonction<br />quantique étendue, en considérant les bords comme des liquides de<br />Luttinger chiraux. Nous exposons différents régimes de courant en<br />fonction de la longueur de la jonction, la force des interactions,<br />le facteur de remplissage et la température. Nous calculons<br />également le bruit associé à ce courant.<br /><br />Nous avons généralisé ces résultats à une jonction en coin, dans<br />laquelle les canaux de bord peuvent être contre ou copropageant.<br />Dans le cas contre-propageant, il apparaît une transition de phase<br />commensurable-incommensurable en fonction des interactions et d'un<br />paramêtre supplémentaire. Dans le cas co-propageant, nous calculons<br />le courant tunnel en perturbation dans un modèle de sine-Gordon<br />chiral.<br /><br />Enfin, nous déterminons les profils de densité des bords et les<br />excitations. Nous mettons en évidence l'apparition d'une instabilité<br />dans ces jonctions quand l'interaction entre les bords est trop<br />forte. La théorie de Chern-Simons montre qu'il se produit alors une<br />reconstruction des bords par les interactions.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale du transport électronique multi-terminal dans des nanotubes monoparois. Nous avons développé de nouvelles méthodes utilisant des nanotubes multiparois comme sonde de tension non-invasive pour mesurer de manière fiable la résistance intrinsèque des nanotubes monoparois. Dans le régime linéaire à température ambiante, des mesures à 4 terminaux montrent que les nanotubes monoparois sont des conducteurs classiques régis par la loi d'Ohm. A très basse température, des résistances négatives sont mesurées qui résultent d'effets d'interférences quantiques comme prévu par la formule de Landauer-Buttiker. A température intermédiaire, le transport électronique dans les nanotubes monoparois est décrit par la théorie du liquide de Luttinger. Pour tester cette théorie, nous avons réalisé des structures avec 2 nanotubes métalliques en croix. Nous observons une anomalie à tension nulle dans l'un des tubes qui est supprimée lorsque du courant circule dans le deuxième. Ces résultats sont en très bon accord avec un modèle théorique basé sur la théorie du liquide de Luttinger.

Les réseaux de nanojonctions Josephson constituent un système modèle pour l'étude d'un grand nombre de phénomènes physiques. La transition Kosterlitz-Thouless-Berezinski est étudiée pour des jonctions de grande capacité, la transition de phase quantique supraconducteur-isolant, lorsque les jonctions ont une très faible capacité, mais également la compétition entre le champ magnétique et la géométrie. Nous avons étudié le diagramme de phase d'un réseau particulier : le reseau dice. Lorsque le flux magnétique par cellule correspond à un demi quantum de flux (frustration f=1/2), la fonction d'onde électronique est, dans ce réseau, entièrement localisée dans un modèle de liaisons fortes. Cet effet est dû à des interférences destructives de type Aharonov-Bohm. La prédiction de cet effet a motivé notre travail. Nous avons donc réalisé des réseaux dice de nanojonctions Al/Al2O3/Al de grande taille, par lithographie électronique. Les configurations de vortex sont observées par décoration magnétique de Bitter et nous avons étudié les propriétés de transport électrique par des mesures bas bruit à très basse température. La comparaison du diagramme de phase de ces réseaux entre f=1/2 et f=0, nous a permis de mettre en évidence deux phases originales à f=1/2. Tout d'abord, dans le régime supraconducteur, lorsque les fluctuations quantiques sont négligeables, les vortex s'arrangent suivant une configuration fortement désordonnée à longue distance, mais un ordre à courte distance subsiste. Les mesures de courant critique suggère d'autre part l'existence d'une phase commensurable. L'ensemble de ces résultats semble montrer l'existence à basse température d'une phase vitreuse, bien que nous n'ayons pas observé d'hystérésis thermique. D'autre part, dans les réseaux où les fluctuations quantiques deviennent importantes, nous observons une phase résistive à basse température indépendante de la température, caractéristique d'une phase de liquide quantique de vortex.

Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale du bruit quantique électronique d'un système mésoscopique. Dans une première partie, nous nous sommes intéressés au bruit de partition haute fréquence d'un conducteur unidimensionnel balistique : un contact ponctuel quantique (QPC). Nous avons mesuré, via la puissance de bruit transmise dans notre circuit de détection, la densité spectrale de bruit à fréquence f, où f varie entre 4 et 8GHz, en fonction de la tension de polarisation V appliquée au QPC. Nous avons mis en évidence sa singularité en V = hf=e. Nous avons également étudié sa dépendance en fonction de la transmission du QPC, et avons ainsi éprouvé, en limitant le nombre de paramètres ajustables, la théorie de la diffusion appliquée au bruit haute fréquence d'un conducteur sans interactions. Dans une seconde partie, nous avons réalisé une expérience de type Hanbury-Brown et Twiss (interf érométrie d'intensité) permettant de sonder la statistique des photons émis, dans le circuit de mesure, par le bruit de grenaille d'une jonction tunnel de faible résistance. Nous avons montré que les uctuations de courant de ce conducteur à grand nombre de canaux de conduction, produisent un rayonnement chaotique : la statistique de la population de photons de fréquence f est superpoissonnienne, ce qui se traduit par des uctuations de puissance proportionnelles au carré de la puissance moyenne émise par la source. A terme, le montage expérimental est destiné à l'étude du rayonnement émis par le bruit de grenaille d'un QPC, qui pourrait, selon de récentes prédictions théoriques, être de nature non classique (statistique sous-poissonnienne).

Réaliser des expériences d'interférence à quelques électrons est un enjeu majeur de l'optique électronique. Ceci nécessite de disposer d'une source inédite capable d'émettre de manière systématique un nombre arbitraire de quasi-particules formant un paquet d'onde cohérent. Considérons une source de courant résultant de l'application de pulses de tensions sur un canal unidimensionnel balistique. Généralement, la charge q émise par pulse est accompagnée d'une quantité statistique N+ d'électrons et de trous, de charge totale nulle. Cependant, ces excitations supplémentaires disparaissent pour des pulses Lorentziens. Alors le nombre de quasi-particules émises est certain, et on réalise ainsi une source fiable à n-électrons indiscernables. Dans ce travail de thèse, nous réalisons cette source en appliquant des pulses de tension sub-nanosecondes sur un contact ponctuel quantique (QPC) réalisé sur une hétérostructure d'GaAs/AlGaAs. Lorsque le QPC n'est pas utilisé à transmission parfaite, le bruit de partition permet de compter le nombre d'excitations. Cette mesure permet de tester la disparition de N+ pour des pulses Lorentziens injectant des charges entières, et apporte également des informations sur la nature des excitations, notamment une spectroscopie des processus d'absorption et d'émission de photon qui leur donnent naissance. Nos expériences comparent des pulses Lorentziens, sinusoïdaux et carrés et montre les particularités de l'excitation générée par les pulses Lorentziens. Les résultats expérimentaux, qui incluent les effets de température, sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques.

Cette thèse porte sur le développement de circuits supraconducteurs à jonctions Josephson, issus de la boîte à paire de Cooper, pour réaliser des bits quantiques (qubits). La version quantronium de ce circuit avait déjà démontré une cohérence quantique assez bonne pour faire des portes logiques à un qubit. Pour réaliser des portes logiques à deux qubits, nous avons développé un circuit, le quantroswap, fait de deux quantroniums couplés, chaque qubit pouvant être piloté et mesuré séparément. Nous avons démontré l'échange cohérent d'état entre les deux qubits, mais aussi observé un effet rédhibitoire d'instabilité dans ces qubits. Pour l'éviter, nous avons réalisé un nouveau circuit fait d'une boite à paires de Cooper insensible au bruit en charge électrique et stable, couplée à un résonateur non linéaire pour sa lecture. Nous avons obtenu un temps de cohérence long (~1 μs), et une très bonne fidélité de lecture (90%) du qubit en utilisant le phénomène de bifurcation. Dans un but métrologique, la mesure par réflectométrie microonde du quantronium a aussi permis de relier un courant I injecté dans le circuit à la fréquence f=I/2e des oscillations de Bloch induites.

Cette thèse a pour objet l'étude du transport électronique dans les nanotubes de carbone grâce à l'utilisation combinée d'un fort champ magnétique (60T) et d'un contrôle électrostatique du dopage électronique. Il s'agit alors de montrer les rôles clés joués par la structure de bande en énergie et par le désordre. Plusieurs types de tubes métalliques de qualité structurale variable ont été étudiés. Selon le rapport entre le libre parcours moyen élastique (le) et la circonférence du nanotube (L), différents régimes apparaissent. Lorsque le