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.

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.

Les couples d'engrenages présents dans les boîtes de vitesses automobiles sont une source de bruit importante à prendre en compte et à maîtriser. L'acyclisme du moteur observable en entrée de boîte a notamment pour conséquence de provoquer des impacts entre les dents des engrenages non chargés, à l'origine du bruit de grenaille. Ce travail de thèse s'intéresse aux cas de grenaille dits périodiques, dont l'apparition et la sévérité dépendent, entre autres, des conditions de fonctionnement régime/charge. Pour détecter la présence et quantifier la sévérité de ce bruit, il est nécessaire de construire des indicateurs pertinents et dédiés, où il est particulièrement intéressant de conserver la dualité des informations temporelles (relatives aux voies de transfert des phénomènes vibratoires) et angulaires (relatives aux cycles de la machine) mesurées sur des boîtes en montée de régime. Une extension de l'approche cyclostationnaire classique est ainsi exploitée et la cohérence spectrale ordre/fréquence est utilisée afin de définir un indicateur de sévérité du bruit de grenaille. Deux campagnes d'essais ont été réalisées afin de valider la pertinence de cet indicateur, utilisant un banc d'essais qui permet d'imposer des montées en régime et de générer un acyclisme. Dans la première campagne d'essais, un pignon fou est instrumenté à l'aide d’un codeur optique afin de mesurer la vitesse relative pignon fou/pignon menant qui est utilisée comme référence pour détecter l'apparition des impacts. La comparaison avec l'indicateur proposé, calculé à partir du signal vibratoire d'un accéléromètre positionné sur le carter de boîte, démontre sa capacité à détecter effectivement des chocs. Des sessions d'écoute ont été organisées afin de comparer le ressenti d'auditeurs qualifiés pour faire des évaluations subjectives à l'évolution des valeurs données par l’indicateur, à partir d'une seconde campagne d'essais. Cet indicateur apparaît représentatif du ressenti des auditeurs. Une fois la grenaille détectée et quantifiée globalement en intensité, il est intéressant d'extraire sa composante du signal global mesuré. Pour cela, une extension du filtre de Wiener cyclique pour des signaux cyclostationnaires angle/temps est proposée. Le signal extrait étant supposé être généré uniquement par les impacts produisant le bruit de grenaille, les impulsions extraites sont exploitées afin d'estimer la fonction de transfert entre les points d'excitation et le capteur localisé sur le carter de boîte. Cette fonction de transfert est comparée à celle obtenue par une seconde méthode, également développée dans le cadre de cette thèse, qui consiste en une extraction de la partie déterministe de l'excitation à l'aide d'un filtre en peigne dans le domaine des ordres, puis en une identification aveugle de la réponse impulsionnelle dans le domaine cepstral. / The improvement of the engine noise emissions causes the emergence of new sources which were previously masked, like gearbox noises. Because of the engine acyclism some impacts can appear between the teeth of unloaded gears. Those impacts generate the so called rattle noise which is a current problem for car manufacturers. This work is focused on periodic cases of rattle noise. Their appearance and their level depend on operating conditions. In order to propose a specific detection indicator it is particularly useful to exploit the angle/time duality from measures in non-stationary conditions: the angle domain is linked to the periodicity of the impacts while the time domain is linked to their nature. An extension of the cyclostationary approach is thus exploited and the order/frequency spectral coherence is used to define a severity indicator of rattle noise. The validation of this indicator is obtained from measurements. For a first level of validation, a loose gear has been instrumented with an optical encoder in order to measure the relative velocity between this loose gear and the driving gear. The comparison with the proposed indicator shows its ability to effectively detect the impacts. For a second level of validation some listening sessions have been organized. The evolution of values of our indicator appears in accordance with the feeling of the listeners. After the detection of rattle noise it is interesting to extract its contribution from the measured signal. An extension of the cyclic Wiener filter is thus proposed for angle/time cyclostationary sources. The extracted signal being supposed only produced by impacts, the extracted impulses are then exploited in order to estimate a transfer function. This transfer function is compared with the other one obtained by a second method, also developed in this work. This method exploits the non-stationary regime and proposes a blind identification with cepstrum.

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.

En utilisant des munitions à base de grenailles de plomb pour la chasse, la population inuite du Nunavik s'expose à une source de plomb potentiellement dommageable pour la santé. Afin d'étudier les déterminants comportementaux de l'exposition au plomb de chasse chez les Inuit, un inventaire des munitions aux points d'achat et des entrevues semi-dirigées avec des informateurs-clés ont été réalisés au printemps 2010. Les résultats de l'étude indiquent qu'il y a encore une demande importante pour les grenailles de plomb au Nunavik. Il semble que ce soit principalement en raison de leur faible coût et parce que leur utilisation fait partie des habitudes de la population inuite. Cette étude suggère qu'afin d'éliminer complètement cette source de contamination, il faudrait vérifier, à moyen ou long terme, la possibilité d'interdire l'utilisation de grenailles de plomb au moyen d'une réglementation. À court terme, il faudra motiver les chasseurs à changer leurs habitudes en tenant compte des défis d'ordre financier et technique qu'engendre la suppression de la grenaille de plomb au profit d'alternatives non toxiques.

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.

Un conducteur quantique est bien caractérisé par sa conductance donnée par la formule de Landauer. Mais le bruit contient davantage d'informations que la conductance : il mesure les fluctuations temporelles du courant autour de sa valeur moyenne. De plus, le signe des corrélations de bruit est lié à la statistique des porteurs de charge. Dans une jonction entre un métal normal et un supraconducteur, le bruit présente une singularité à la fréquence Josephson, signature de la charge 2e des paires de Cooper impliquées dans le transport. Lorsque la tension appliquée est supérieure au gap du supraconducteur, la courbe du bruit exhibe des singularités à plusieurs fréquences auxquelles on peut associer un processus de réflexion ou de transmission. L'analogue fermionique de l'expérience d'Hanbury-Brown et Twiss avec un supraconducteur permet d'observer à la fois des corrélations positives et négatives dans un même système. Maintenir une différence de potentiel entre les deux extrémités d'un fil crée une situation relevant de la thermodynamique hors de l'équilibre. Formellement, on peut se ramener à un calcul à l'équilibre et écrire une théorie des perturbations grâce à la méthode de Keldysh. La théorie des liquides de Luttinger décrit les systèmes unidimensionnels d'électrons en interaction. Le Hamiltonien peut se mettre sous forme quadratique grâce à la bosonisation. D'autre part, un liquide de Luttinger chiral constitue un bon modèle des états de bord de l'effet Hall quantique fractionnaire. Grâce au formalisme de Keldysh, on peut retrouver une formule de type Schottky et identifier la charge des quasiparticules de Laughlin.

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.