La mécanique quantique affiche déjà toute son étrangeté en considérant l’équation de Schrödingerdans un puits de potentiel à une dimension. L’effet tunnel qui en résulte, en est un exemple frappant.La possibilité de récréer cette situation dans un système matériel est un enjeu excitant et un grandpas vers le contrôle des effets quantiques.Le confinement spatial des spins électroniques a été suggéré comme une approche possible pour laréalisation d’un ordinateur quantique. Chaque spin formant un système à deux niveaux pouvant coderune bit élémentaire pour l’information quantique (spin qubit). Cette proposition par Loss etDiVincenzo a contribué à l’ouverture d’un domaine de recherche important dénommé spintroniquequantique. L’intérêt des qubits de spin s’appuie sur le fait que les états de spin ont des temps decohérence beaucoup plus long que les qubits de charge (états orbitaux).Un potentiel de confinement de spin peut être créé de différentes façons, comme par exemple enutilisant l’alignement des bandes d’énergies de semi-conducteurs de différentes natures. Cependant,les dimensions spatiales du système obtenu doivent toujours être inférieures à la longueur decohérence de phase des quasi-particules considérées afin de préserver leur comportement quantique.Jusqu’à présent, la plupart des progrès ont été réalisés en utilisant des hétérostructures semiconductricesà base d’arséniure de Gallium(GaAs). Dans de tels systèmes, lemouvement des porteursde charges est limité à un plan bidimensionnel et le confinement latéral peut être obtenu par destechniques de lithographie. De cette façon, des systèmes quasi-zéro-dimensionnels dont les étatsélectroniques sont parfaitement quantifiés (boîtes quantiques), sont réalisés.Diverses techniques utilisant des signaux hautes fréquences ont permis de manipuler et lire l’état despin de tels boîtes quantiques de GaAs et, il y a quelques années, les premiers qubits de spin ont étédémontrés. Cependant, ces systèmes ont montré des temps de cohérence relativement courts enraison de l’interaction hyperfine avec les spins nucléaires. En dépit de progrès significatifs sur lecontrôle de la polarisation, ce problème n’est toujours pas résolu.Au cours de ces dernières années, un effort croissant s’est donc concentré sur des systèmes à base dematériaux alternatifs pour lesquels l’interaction hyperfine est naturellement absente ou rendue trèsfaible par des techniques de purification. Même si le Silicium, qui est le matériau de base enmicroélectronique, remplit cette condition, il souffre d’une faible mobilité par rapport aux semiconducteursIII-V, ce qui pose problème pour la spintronique quantique. Les structures à base Silicium-Germanium (SiGe) offrent un moyen de contourner ce problème tout en gardant un matériaucompatible avec les procédés de fabrication standards.Durant mon travail de thèse, je me suis concentrée principalement sur l’étude des propriétésélectroniques d’îlots auto-assemblés (nanocristaux) de SiGe. Le manuscrit de thèse qui relate lesprincipaux aspects de cette étude est organisé en six chapitres. Dans le premier chapitre, je décris lesprincipaux concepts de la croissance cristalline d’îlots auto-assemblés de SiGe ainsi que les propriétésdu potentiel de confinement qu’ils définissent. Le chapitre 2 est consacré aux principes du transportélectronique dans de telles structures. Le chapitre 3 traite de la modulation électrique du facteur deLandé (g) des trous confinés dans les îlots en vu de la manipulation rapide des états de spin. Dans lechapitre 4, je présente les résultats théoriques et expérimentaux relatifs à la sélectivité en spin dansles nanocristaux de SiGe. Le chapitre 5 décrit les résultats sur la réalisation d’une pompe électroniqueobtenue à partir de nanofils d’InAs/InP. Enfin, le chapitre 6montre les progrès technologiques que j’aiobtenus vers la réalisation et l´étude de dispositifs couplés à base de nanocristaux de SiGe. / Quantum mechanics displays all its exciting strangeness already by considering the Schrödingerequation in a one-dimensional square well potential; tunnelling events put this statement in evidence.To recreate this situation in a given material system is an inspiring playground and a big step towardstaking control of quantum mechanisms. For instance, it is now possible to confine electrons in solidstatedevices enabling amore efficient solar-cell technology. Confining individual electron spins has infact been suggested as a possible approach to the realization of a quantum computer. Each electronspin forms a natural two-level systems encoding an elementary bit of quantum information (a socalledspin qubit). This proposal, by Loss and DiVincenzo, has contributed to the opening of an activeresearch field referred to as quantum spintronics. Spin qubits rely on the fact that spin states canpreserve their coherence on much longer time scales than charge (i.e. orbital) states.A confinement potential can be created artificially in many different ways; producing constantmagnetic fields and spatially inhomogeneous electric fields, applying oscillating electric fields, usingconductive oxide layers, etc. To take advantage of the band-alignment of different semiconductors isamong these. The relevant dimensions of the considered system should still be smaller than the phasecoherence length of the confined particles in order that their quantum behaviour is preserved.So far, most of the progress has been achieved using GaAs-based semiconductor heterostructures. Insuch layered systems themotion of carriers is confined to a plane and further confinement is achievedbymeans of lithographic techniques, which allow lateral confinement to be achieved on a sub-100 nmlength scale. In this way, quasi-zero-dimensional systems whose electronic states are completelyquantized, i.e. quantum dots (QDs), can be devised.Various time-resolved techniques involving high-frequency electrical signals have been developed tomanipulate and read-out the spin state of confined electrons in GaAs QDs, and several years ago thefirst spin qubits were reported. In GaAs-based QDs, however, the quantum coherence of electronspins is lost on relatively short time scales due to the hyperfine interactionwith the nuclear spins (bothGa and As have non-zero nuclear spin moments). In spite of significant advances on controlling thenuclear polarization [3, 4], this problem remains unsolved.In the past few years an increasing effort is concentrating on alternative material systems in whichhyperfine interaction is naturally absent or at least very weak and, in principle, controllable by isotopepurification. While Si fulfils this requirement and it is the dominant material in modernmicroelectronics, it suffers from low mobility compared to III-V semiconductors, which obstructs itsapplication for quantum spintronics. SiGe structures offer a way to circumvent this problem that isstill compatible with standard silicon processes.I have focused mainly on the study of the electronic properties of SiGe self-assembled islands, alsocalled SiGe nanocrystals. This work, which condensates the main points of this study, is organized insix chapters. In the first chapter, I describe the basics of the growth of SiGe self-assembled islands andthe properties of the quasi-zero-dimensional confinement potential that they define. Chapter 2 isdevoted to the basics of electronic transport in these structures. Chapter 3 deals with the electricmodulation of the hole g-factor in SiGe islands, which would enable a fast manipulation of the spinstates. In Chapter 4 I present theoretical and experimental findings related to spin selectivity in SiGeQDs and Chapter 5 is dedicated to the realization of an electron pump in InAs nanowires based on thiseffect. Finally, Chapter 6 exhibits our progress towards the study of coupled SiGe QD devices.

Les évolutions rapides du marché des composants électroniques font apparaître de nombreux challenges pour la conception et la fabrication de ces derniers. Lorsque ces éléments deviennent plus petits, leur comportement se complexifie à mesure que de nouveaux phénomènes, liés aux effets d'interférence, entrent en jeu. Comprendre ces derniers nécessite le développement d'outils théoriques avancés. Dans ce contexte cette thèse est consacrée au transport électronique quantique dans des systèmes multi-terminaux. Dans la première partie on développe un formalisme général, utilisant les fonctions de Green de Keldysh, pour le transport électronique quantique dans des systèmes multi-terminaux en présence de perturbations oscillantes. Nous sommes capable d'exprimer toute obervable AC en termes de fonctions de Green à l'équilibre et des self-énergies des contacts. Ceci fait de notre formalisme un outil pratique pour toute une variété de perturbations à fréquence finie. Dans la seconde partie on présente l'idée d'induction d'un fort couplage spin-orbite dans le graphène en déposant à sa surface un certain type d'atomes lourds. Le graphène devient alors un isolant topologique. Nous avons ensuite étudié l'évolution de la phase topologique avec un champ magnétique externe. Une transition entre la phase de Hall quantique et la phase de Hall quantique de spin a été identifiée dans le même système en variant seulement la position du niveau de Fermi. Nous avons montré qu'une hétérojonction entre ces deux phases donnait lieu à un nouveau type d'état chiral à l'interface. / Rapidly changing market of electronic devices sets up a lot of challenges for the manufacturing and design technologies. When electronic circuit elements get smaller, the device behavior becomes increasingly complicated as new physical phenomena due to quantum interference effects come into play. Understanding of the latter necessitates development of advanced theoretical tools. In this thesis we investigate quantum electron transport in multiterminal devices. In the first part making use of the Keldysh Green's functions we develop a general framework for electron quantum transport in multi-terminal systems in the presence of oscillating fields. We are able to express any AC observable in terms of stationary Green's functions and leads self-energies, which makes our formalism a practical numerical tool for a variety of possible finite-frequency perturbations. In the second part we investigate theoretically a proposal to induce strong spin-orbital coupling in graphene by functionalizing its surface with certain type of heavy adatoms. In this case graphene becomes a topological insulator. Then we investigate the evolution of this topological phase in external magnetic field. We were able to see a unique transition between quantum Hall and quantum spin Hall phases in the same system by only varying the position of the Fermi level. A heterojunction between these two phases was shown to give rise to a new type of a chiral state at the interface between the latter.

Au cours de cette thèse nous avons étudié les effets des interactions entre électrons dansles contacts ponctuels quantiques (QPCs). Les contacts ponctuels quantiques sont des petitscanaux quasi-unidimensionnels, définis à partir de gaz électroniques bidimensionnelsde haute mobilité (2DEG). Une tension négative appliquée sur des grilles métalliques audessus de la surface permet d’ouvrir ou fermer le QPC. Lorsqu’un QPC s’ouvre, de plusen plus de modes électroniques peuvent traverser le QPC, et sa conductance augmente parpas discrets, séparés par un quantum de conductance 2e2/h. On peut le comprendre parle transport unidimensionnel d’une seule particule, car chaque mode transverse contribuepour un quantum de conductance.Mais depuis leurs premières réalisations, les QPCs ont montré des déviations par rapportà ce modèle à une particule. Les plus connues sont un épaulement sous le premier plateau,autour de 0.7×2e2/h, appelé "l’anomalie 0.7", et un pic dans la conductance différentiellequi apparaît à basse température: l’anomalie à zéro polarisation (ZBA).L’instrument que nous avons utilisé pour étudier ces effets d’interactions est un microscopeà effet de grille local (SGM). Cette technique consiste à modifier localement le potentield’un dispositif à l’aide d’une pointe de microscope à force atomique (AFM) chargée négativement,et enregistrer les modifications de la conductance en fonction de la position dela pointe. En utilisant cette technique à très basse température, nous avons montré quenous pouvons moduler les anomalies de conductance du QPC. Nous avons interprété nosrésultats comme la signature d’un cristal d’électrons se formant spontanément à bassedensité dans le QPC à cause de la répulsion Coulombienne: un cristal de Wigner. Onpeut modifier le nombre d’électrons cristallisés en approchant la pointe, et obtenir dessignatures de la parité du nombre d’électrons localisés dans le transport électronique.En fonction de cette parité, le cristal de Wigner présente un état de spin différent, etl’écrantage de ce spin par les électrons de conduction au travers d’un mécanisme appeléeffet Kondo donne une anomalie à zéro polarisation formant alternativement un simplepic ou un double pic. Cette découverte apporte une avancée significative à ce domaine,qui a concentré les efforts de plusieurs groupes importants ces 15 dernières années.Nous avons ensuite réalisé des mesures interférométriques à l’aide du microscope SGM,en créant in situ des interféromètres dans le gaz 2D. Nous avons obtenu les signaturesd’un déphasage supplémentaire dans le régime de la ZBA. Nous attribuons cet effet audéphasage universel accumulé par les électrons à la traversée d’un singulet Kondo, ce quirenforce le fait que la ZBA trouve son origine dans les phénomènes Kondo.Enfin, nous avons adapté la technique SGM au transport thermoélectrique dans les QPCs,et avons imagé pour la première fois les interférences d’électrons se déplaçant sous l’effetd’une différence de température. / In this thesis, we studied the effect of electron electron interactions in quantum pointcontacts (QPCs). Quantum point contacts are small quasi-one dimensional channels,designed on a high mobility two-dimensional electron gas (2DEG). A negative voltageapplied on a pair of metallic split gates above the sample surface allows to open or closethe QPC. As a QPC opens, more and more electronic modes are allowed to cross theQPC, and its conductance increases by discrete steps, separated by a conductance quantum2e2/h. This can be understood from a single-particle picture in one-dimensionaltransport, as each transverse mode carries a conductance quantum.But from their first realization 25 years ago, quantum point contacts have shown deviationsfrom this picture, attributed to electron electron interactions. The most well knownare a shoulder below the first plateau, around 0.7×2e2/h, called the "0.7 anomaly", and apeak in the differential conductance that arises at low temperature: the zero bias anomaly(ZBA).The tool we used to study these interaction effects is a scanning gate microscope (SGM).It consists by changing locally the device’s potential with the polarized tip of an atomicforce microscope (AFM), and record the changes in conductance as a function of the tipposition. By performing this technique at very low temperature, we showed that we canmodulate the conductance anomalies of QPCs. We interpret our result as the signatureof a small electrons crystal forming spontaneously at low density in the QPC due to theCoulomb repulsion: a Wigner crystal. We can modify the number of crystallized electronsby approaching the tip, and obtain signatures of the parity of the localized electrons numberin transport features. Depending on this parity, the Wigner crystal has a differentspin state, and screening of this spin by the surrounding electrons through the so-calledKondo effect leads alternatively to a single peak or a split ZBA. This discovery bringsa significant advance in this field, that has attracted research efforts of many importantgroups in the world over the past 15 years.We then performed interferometric measurements thanks to the scanning gate microscopeby creating in-situ interferometers in the 2DEG. We obtained signatures of an additionalphase shift accumulated by the electrons in the ZBA regime. We attribute this effect tothe universal phase shift that electrons accumulate when crossing a Kondo singlet, reinforcingthat the debated origin of the ZBA lies in Kondo physics.Finally, we adapted the SGM technique to the study of thermoelectric transport in QPCs,and for the first time imaged interferences of electrons driven by a temperature difference.

Spintronique moléculaire : de la vanne de spin à la détection d'un spin unique. Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, utiles en spintronique ou en information quantique. Mon projet de thèse s'inscrit dans cette perspective en voulant combiner un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique, en les couplant par des interactions supramoléculaires. L'objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il était réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule ont constitué les deux enjeux majeurs de cette thèse. Une grande partie du travail réalisé porte sur la fabrication du dispositif expérimental par des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état d'un spin nucléaire unique. / Nowadays, new directions in quantum spintronics aim at transposing the existing concepts and at developing alternative ones with various types of materials, from inorganic to -conjugated organic semiconductors. In this context, single molecule-magnets (SMMs) are interesting candidates to be integrated in molecular spintronics devices. Such devices lead the way for the electronic detection and coherent manipulation of SMMs spin states, exploitable in quantum computation schemes. We developed for this purpose an innovative multi-terminals device based on a carbon nanotube quantum dot, laterally coupled to few SMMs through supramolecular interaction. The conductance of the nanotube is measured at very low temperature (40 mK) and each time one of the SMM magnetic moment reverses, the conductance changes. The latters act on the conduction electron through the QD as spin polarizer and analyzer. This spin-valve effect gives access to the behavior of a single localized spin by standard electrometry We report a full magnetic characterization of a single bis-phthalocyaninato terbium complex (TbPc2). In particular, we performed a detailed study of quantum tunnelling of the magnetization of the Tb electronic moment and we present a read-out technic of the Tb nuclear spin state. These results open up strong perspectives for a coherent manipulation of a single nuclear spin in TbPc2.

Les simulations de nanoélectronique quantique sont souvent restreintes à des géométries où un nanosystème de taille fini est connecté au monde macroscopique via des électrodes unidimensionelles. Cette thèse développe des méthodes numériques pour faire fi de ces restrictions.La première partie présente un algorithme robuste et efficace qui calcule les propriétés d'états liés présents dans des systèmes de liaisons fortes construits avec une région de "scattering" connectée à un nombre indéfini d'électrodes. La formulation de la méthode est faite par analogie à la méthode de continuité des ondes. L'algorithme permet de calculer des états de bord ou de surfaces comme les arcs de Fermi.La deuxième partie est dédiée à une nouvelle méthode numérique, basé sur le formalisme des fonctions de Green, qui permet de simuler efficacement des systèmes infinis en 1, 2 ou 3 directions et quasiment invariants par translation. Comparativement aux approches usuelles où le temps de calcul croît avec la taille du système, cette méthode innovante permet d'accéder directement à la limite thermodynamique. Ces développements fournissent une voie pratique pour la simulation d'échantillons 3D qui était jusqu'à maintenant restée insaisissable.Les deux méthodes sont illustrées par des applications sur des systèmes quantiques (un gaz d'électrons bidimensionel, une structure de graphène...) et des matériaux topologiques (fermions de Majorana, arcs de Fermi sur des semimétaux de Weyl...). La dernière application (résistance des arcs de Fermi au désordre) est la plus aboutie étant donné qu'elle requiert tous les algorithmes présentés dans la thèse. / Simulations in the field of quantum nanoelectronics are often restricted to a quasi one-dimensional geometries where the device is connected to the macroscopic world with one-dimensional electrodes. This thesis presents novel numerical methods that lift many of these restrictions, in particular rendering realistic simulations of three-dimensional systems possible.The first part introduces a robust and efficient algorithm for computing bound states of infinite tight-binding systems that are made up of a scattering region connected to semi-infinite leads. The method is formulated in close nalogy to the wave-matching approach used to compute the scattering matrix. It also allows one to calculate edge or surface states, e.g. the so-called Fermi arcs.The second part is dedicated to a new numerical method, based on the Green's function formalism, that allows to efficiently simulate systems that are infinite in 1, 2 or 3 dimensions and mostly invariant by translation. Compared to established approaches whose computational costs grow with system size and that are therefore plagued by finite size effects, the new method allows one to directly reach the thermodynamic limit. It provides a practical route for simulating 3D setups that have so far remained elusive.Both methods are illustrated by applications to several quantum systems(a disordered two-dimensional electron gas, a graphene device...) and topological materials (Majorana states in 1D superconducting nanowires, Fermi arcs in 3D Weyl semimetals...). The last application (resilience of Fermi arcs to disorder) combines all the algorithms that were introduced in this thesis.

Le transistor est la brique élémentaire des circuits intégrés présents dans tous les appareils électroniques. Années après années l’industrie de la microélectronique a amélioré les performances des circuits intégrés (rapidité, consommation énergétique) en réduisant les dimensions du transistor. De nos jours, en plus de la réduction de la taille du transistor d’autres techniques permettent de soutenir cette croissance: ce sont les « booster » technologiques. Les contraintes mécaniques ou encore le remplacement du Silicium par d’autres matériaux tels que germanium (Ge) et les matériaux semi-conducteurs de type III-V sont des exemples de booster technologiques. Grâce à la modélisation numérique, cette thèse propose d’étudier les effets de booster technologiques sur les performances électriques de la future génération de transistors. / The transistor is the elementary brick of Integrated circuits found in all electronic devices. Years after years the microelectronic industry has enhanced the performances of integrated circuits (speed and energy consumption) by downscaling the transistor. Nowadays besides the transistor’s downscaling, other techniques have been considered to maintain this growth: they are called technological boosters. Mechanical strain or new material, such as germanium (Ge) and III-V semiconductors, to replace Silicon are example of technological boosters. By the means of numerical quantum simulations and modeling, this these work propose a study of the effect of technological boosters on the electric performances of the next generation of transistors.

Cette thèse présente une étude du transport quantique et de la localisation d’Anderson d’ondes de matière sans interaction dans des désordres anisotropes. À l’aide d’approches microscopiques, nous étudions l’effet des corrélations du désordre dont nous démontrons qu’elles peuvent considérablement modifier les propriétés du transport quantique à 1D, 2D et 3D. Nous développons des outils généraux et les appliquons à des modèles de désordre continu pertinents pour les expériences d’atomes ultrafroids : les potentiels de tavelures optiques (« speckle »). Dans un premier temps, à une dimension, nous raffinons les précédents modèles du processus de localisation d’un nuage d’atomes ultrafroids en expansion dans un potentiel de speckle usuel, et nous montrons que la prise en compte de nouveaux éléments devrait permettre d’expliquer les écarts entre les résultats expérimentaux et théoriques observés précédemment. Nous étudions ensuite le transport quantique et la localisation d’Anderson en dimensions supérieures, plus particulièrement dans des désordres aux corrélations anisotropes, ce qui est naturellement le cas dans la plupart des potentiels de speckle. Nous calculons les propriétés de transport quantique et proposons une nouvelle méthode pour estimer la position du seuil de localisation à 3D (seuil de mobilité). Nos prédictions théoriques sont ensuite comparées aux résultats obtenus par deux expériences récentes ayant observé la localisation tri-dimensionnelle d’ondes de matière. Enfin, nous approfondissons notre étude des effets des corrélations du désordre. Nous démontrons qu’elles peuvent induire l’inversion des anisotropies de localisation et une amplification de la localisation d’Anderson avec l’énergie de la particule, lorsqu’elles sont judicieusement adaptées. / In this thesis we investigate quantum transport and Anderson localization of non- interacting matterwaves in anisotropic disorder. Using microscopic approaches, we study the effect of disorder correlations, which are shown to significantly modify quantum transport properties in 1D, 2D and 3D. We develop general theoretical tools and apply them to particular models of continuous disorder, which are relevant to ultracold atom experiments : speckle potentials. First, in the one-dimensional case we extend previous models for the localization process of ultracold atoms expanding in a standard speckle potential and show that taking into account new ingredients could permit to understand deviations between experiments and theory observed previously. We then study quantum transport and Anderson localization in dimensions higher than one, with special emphasis on anisotropic correlations, which are naturally present in most speckle potentials. We compute quantum transport properties and propose a new method to estimate the 3D localization threshold (mobility edge). Our theoretical findings are compared with the results of two recent experiments which report evidence of 3D localization of matterwaves. Eventually, we further study effects of disorder correlations, which can induce inversion of localization anisotropies and enhancement of Anderson localization with the particle energy, when appropriately tailored.

La réalisation d’un ordinateur quantique est l’un des objectifs scientifiques les plus ambitieux et prometteurs de ce début de siècle.La force du calcul quantique réside dans sa capacité à se placer dans une superposition d’états et à utiliser les interférences entre eux pour dépasser la limite intrinsèque des ordinateurs classiques, qui est la description discrète des phénomènes physiques pourtant continus. Cela leur permettrait théoriquement de simplifier et de résoudre des problèmes insolubles pour les ordinateurs classiques.La première étape dans la réalisation d’un ordinateur quantique est sa brique de base : le bit-quantique, ou qubit. Il s’agit de l’analogue quantique du bit classique, qui permet de stocker l’information sous la forme de 0 ou de 1. Dans le cas quantique, l’information est formée par la superposition de ces deux états, en un nombre infini de possibilités. Si cette étape a été réalisée à de nombreuses reprises par la communauté, en utilisant des qubits de différentes natures, le couplage entre plusieurs d’entre eux reste difficile et limité en nombre. En effet, le système quantique ainsi formé a tendance à perdre sa cohérence ; ou dit autrement, à se détruire.Parmi les nombreuses possibilités de qubit existant, j’utilise le spin nucléaire. Ils ont l’avantage d’être relativement bien découplés de leur environnement, ce qui permet de les protéger des sources extérieures de décohérence et ainsi d’avoir un temps de vie supérieur aux spins électroniques.Cet avantage a un prix : il est plus difficile d’accéder à leur lecture.Pour ce faire, j’ai fabriqué un transistor moléculaire afin de connecter une molécule unique à deux centres magnétiques, le Tb2Pc3, aux électrodes de source et drain. L’aimant monomoléculaire utilisé possède deux centres magnétiques (les ions Tb3+) dont les spins électroniques J=6 sont couplés entre eux via une interaction dipolaire. De plus, chacun d’entre eux est couplé à son spin nucléaire I=3/2 via l’interaction hyperfine. On a ainsi un couple de deux qudits (d=4), ce qui porte la dimension de l’espace de Hilbert à 16, et ce à l’intérieur d’une unique molécule.Dans un premier temps, j’ai élaboré le diagramme Zeeman de la molécule, qui est sa réponse énergétique à un champ magnétique extérieur. Je détaille ensuite la fabrication des échantillons, et notamment l’utilisation de la technique d’électromigration. Je présente ensuite les mesures en transport électrique, aux très basses températures (milliKelvins) et sous champ magnétique, qui permettent de détecter le retournement du couple de spins électroniques, dont la position est dépendante de l’état du couple de spins nucléaires : c’est ainsi qu’est réalisée la lecture des états du couple de qudits.Une étude de la dynamique du système est alors réalisée par des mesures de corrélations entre la position des retournements des spins électroniques entre deux balayages consécutifs. On obtient ainsi, à la fois une meilleure visualisation des états du système, mais aussi de sa relaxation entre deux balayages en champ magnétique.Enfin, j’ai pu extraire sa température effective à l’aide d’une distribution de Maxwell-Boltzmann. De l’ordre de 300 mT, elle est cohérente avec la littérature, ainsi qu’avec celles extraites sur deux autres transistors moléculaires obtenus à d’autres moments de ma thèse.En résumé, cette thèse montre pour la première fois l’utilisation d’un transistor à molécule unique pour accéder à lecture d’un couple de qudits. Le grand nombre de molécules existantes, et le grand nombre de qubits ou qudits qui pourrait y être couplé, fait de la spintronique moléculaire une voie très prometteuse vers de possibles futurs ordinateurs quantiques moléculaires.La prochaine étape sera d’opérer la manipulation cohérente d’un tel système, notamment via l’utilisation de l’effet Stark, comme cela a déjà été réalisé à l’aide d’une molécule ne comportant qu’un centre magnétique. / The realization of a quantum computer is one of the most ambitious and promising scientific objectives of the beginning of this century.The strength of quantum computing lies in its ability to use a superposition of states and the interferences between them to overcome the intrinsic limit of classical computers, which is the discrete description of the continuous physical phenomena. This would theoretically allow them to simplify and solve impossible problems for conventional computers.The first step in the realization of a quantum computer, is its basic block: the quantum-bit, or qubit. It is the quantum analogue of the classical bit, which stores information in the form of 0 or 1. In the quantum case, information is formed by the superposition of these two states, leading to an infinity of possibilities. If this step has been done many times by the community, using qubits of different natures, the coupling between several of them remains difficult and limited in number. Indeed, the quantum systems thus formed tend to lose their coherence; or said otherwise, to destroy itself.Among the many possibilities of existing qubit, I have used the nuclear spin. They have the advantage of being relatively well decoupled from their environment, which makes it possible to protect them from external sources of decoherence, and thus to have a longer lifetime than electronic spins.This advantage has a price: it is more difficult to access their reading.To do this, I have made a molecular transistor to connect a single molecule possessing two magnetic centers, the Tb2Pc3, to the source and drain electrodes. The monomolecular magnet used has two magnetic centers (the Tb3 + ions), whose electronic spins J = 6, are coupled to each other via a dipolar interaction. In addition, each of them is coupled to its nuclear spin I = 3/2 via the hyperfine interaction. We thus have a pair of two qudits (d = 4), which brings the size of the Hilbert space to 16, and this inside a single molecule.At first, I have developed the Zeeman diagram of the molecule, which is its energy response to an external magnetic field. Then, I detail the manufacture of the samples, and in particular the use of the electromigration technique. Next, I present the electrical transport measurements, at very low temperatures (milliKelvins) and under a magnetic field, which make it possible to detect the reversal of the electronic spins, which position is dependent on the state of the pair of nuclear spins: it is how the reading of the states of qudits couple is performed.A study of the dynamics of the system is then carried out by correlation measurements among the position of the reversals of the electronic spins between two consecutive scans. This gives a better visualization of the states of the system, but also its relaxation.Finally, I was able to extract its effective temperature, using a Maxwell-Boltzmann distribution. Of the order of 300 mT, it is consistent with the literature, as well as with those extracted on two other molecular transistors obtained at other times of my thesis.In summary, this thesis shows for the first time the use of a single-molecule transistor to access reading of a qudits couple. The large number of existing molecules, and the large number of qubits or qudits that could be coupled inside one of them, makes molecular spintronics a very promising way for possible future molecular quantum computers.The next step will be to operate the coherent manipulation of such a system, in particular via the use of the Stark effect, as it has already been done using a molecule having only a magnetic center.

Dans cette thèse, l'effet non-local des interactions locales électron-électron sur le transport est étudié dans des modèles de dimensions réduites. À température nulle, le transport au travers d'une nanostructure où les électrons interagissent peut être décrit par une matrice de diffusion. Néanmoins, si les interactions sont importantes à l'intérieur de la nanostructure, le diffuseur effectif à un corps qui décrit la nanostructure ne dépend pas seulement des paramètres internes de la nanostructure, mais aussi des diffuseurs qui existent dans les conducteurs en contact avec la nanostructure.<br /><br />Ces effets non-locaux induits par l'interaction sont étudiés dans trois modèles différents, en utilisant la théorie Hartree-Fock pour décrire l'interaction.<br /><br />En regardant deux nanostructures où les électrons interagissent, on montre que les matrices de diffusion des deux nanostructures sont effectivement couplées par les oscillations de Friedel qu'elles engendrent dans les conducteurs externes.<br /><br />Pour observer les effets non-locaux dans la conductance quantique, il suffit de regarder une seule nanostructure où les électrons interagissent en série avec un diffuseur à un corps. En remplaçant la deuxième nanostructure par une boucle attachée, nous montrons que la matrice de diffusion de la nanostructure dépend du flux magnétique au travers de la boucle.<br /><br />En étendant l'étude à des modèles bidimensionnels, l'influence de l'effet non-local sur les images obtenues par un microscope à effet de grille est étudiée. En utilisant l'effet non-local, on peut détecter l'importance des interactions locales électron-électron dans ces images.

Les travaux de recherche décrits dans ce mémoire couvrent plusieurs phénomènes spécifiques à la physique mésoscopique des nanocircuits. Une large part de ces travaux porte sur la compréhension des mécanismes d'interactions à l'œuvre et de leur impact sur le temps de cohérence quantique, les transferts d'énergie, la nature des états électroniques ainsi que sur l'électrodynamique des nanocircuits électriques et l'effet de proximité supraconducteur. Dans ce mémoire j'ai cherché pour chacun de mes thèmes de recherche à décrire le cadre dans lequel se situe le travail et à expliquer les principaux résultats. Le lecteur est invité à se référer aux articles pour plus de détails.