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.

Cette thèse propose une étude théorique des propriétés de transport électronique dans divers réseaux d'une taille nanoscopique, dont la production est devenue possible grâce au progrès récents de la technique de nanofabrication. Les trois types de dispositifs ont été analysés: les nanotubes, les filaments quantiques et les jonctions Josephson. Dans la première partie nous retrouvons, par les méthodes du groupe de renormalisation et de la bosonisation, les diagrammes de phase pour les réseaux réguliers de fils quantiques dans les régimes de faible et forte interaction électronique. Dans la deuxième partie nous nous intéressons aux effets combinés des interférences quantiques dans les réseaux de symétrie Z2 locale en présence d'interaction Coulombienne. Dans le dernière chapitre nous proposons un modèle du spectromètre courant-tension mésurant l'énergie des q-bits, qui peut trouver ses applications dans la théorie de l'information quantique.

Un conducteur 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 croisées est lié à la statistique des porteurs de charges.<br /><br />Nous considérons l'injection controllée d'une charge d'un métal normal sur un état de bord de l'effet Hall quantique fractionnaire, à l'aide d'une tension dépendant du temps V(t). Nous montrons que les corrélations électroniques préviennent les divergences des fluctuations de charge pour un pulse de tension générique. La formule de la charge moyenne et des fluctuations de charges sont obtenue en utilisant l'approximation adiabatique et les résultats non perturbatifs pour un bord de l'effet Hall quantique Fractionnaire de facteur de remplissage 1/3. Nous faisons également une généralisation aux systèmes décrits par les autres modèles des liquides de Luttinger. <br /><br />Nous considérons la mesure à haute fréquence des corrélations de courant à l'aide d'un circuit résonnant, qui est couplé inductivement au circuit mésoscopique dans le régime cohérent. Les informations sur les corrélations apparaissent dans les histogrammes de la charge aux bornes de la capacité du circuit résonnant. La dissipation est essentiel afin de conserver des fluctuations de charge finis. Nous identifions quelle combinaison du courant de corrélation entre dans la mesure du troisième moment. Ce dernier reste stable pour une dissipation nulle. Nous proposons alors une généralisation du circuit LC résonant afin de sonder directement les corrélations croisées. Les corrélations croisées dépendent de quatre corrélateurs non-symétrisés. Les résultats sont illustrés pour un point contact.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dans les nanostructures quantiques unidimensionnelles dont les propriétés sont étudiées en s'appuyant notamment sur le bruit en excès à fréquence finie. La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude du transport à travers une impureté dans un liquide de Luttinger couplée à un environnement électromagnétique arbitraire. L'impureté est traitée dans deux limites de transmission, la limite tunnel et la limite de faible rétrodiffusion. Les calculs sont menés dans le formalisme de Keldysh. Nous montrons ainsi que la théorie du blocage de Coulomb dynamique, établie pour une jonction tunnel couplée à un environnement à l'équilibre, demeure valide pour un liquide de Luttinger. Par ailleurs nous montrons que les relations de fluctuation dissipation reliant le bruit à fréquence finie au courant reste valide. Nous montrons que cette théorie peut également s'étendre dans la limite de faible rétrodiffusion à condition de prendre en compte la rétro-action du liquide électronique sur l'environnement. En revanche, les relations de fluctuation dissipation ne sont respectées que pour le bruit en émission. Dans une seconde partie nous intéressons effets d'une modulation radiofréquence sur les propriétés de transport des mêmes systèmes. Nous montrons notamment que ces effets peuvent être décrit par une théorie du blocage de Coulomb dynamique effective en convoluant la statistique d'absorption de photon avec la statistique de Tien-Gordon. Notons cependant que les relations de fluctuation dissipation ne sont plus vérifiées. Ces prédictions théoriques sont comparées aux résultats expériments obtenus par une équipe du SPEC au CEA de Saclay. Enfin nous étudions les propriétés de transport lorsque l'environnement, ici un oscillateur harmonique, est maintenu dans un état excité. Nous montrons que la présence de photons autorise d'une part le processus photo-assistés mais favorise également l'absorption de photons par des processus de bunching. Nous montrons finalement que les propriétés du transport s'obtiennent en convoluant la loi de Poisson du blocage de Coulomb avec la fonction caractéristique de Glauber de l'état peuplant l'oscillateur, menant à des statistiques exotiques. Ce dernier point nous permet d'utiliser ce système comme un détecteur d'état quantique.

<p>The role of the surroundings, or <italic> environment </italic>, is essential in understanding funda- mental quantum-mechanical concepts, such as quantum measurement and quantum entanglement. It is thought that a dissipative environment may be responsible for certain types of quantum (i.e. zero-temperature) phase transitions. We observe such a quantum phase transition in a very basic system: a resonant level coupled to a dissipative environment. Specifically, the resonant level is formed by a quantized state in a carbon nanotube, and the dissipative environment is realized in resistive leads; and we study the shape of the resonant peak by measuring the nanotube electronic conductance.</p><p>In sequential tunneling regime, we find the height of the single-electron conductance peaks increases as the temperature is lowered, although it scales more weakly than the conventional T<super>-1</super>. Moreover, the observed scaling signals a close connec- tion between fluctuations that influence tunneling phenomenon and macroscopic models of the electromagnetic environment.</p><p>In the resonant tunneling regime (temperature smaller than the intrinsic level width), we characterize the resonant conductance peak, with the expectation that the width and height of the resonant peak, both dependent on the tunneling rate, will be suppressed. The observed behavior crucially depends on the ratio of the coupling between the resonant level and the two contacts. In asymmetric barriers the peak width approaches saturation, while the peak height starts to decrease.</p><p>Overall, the peak height shows a non-monotonic temperature dependence. In sym- metric barriers case, the peak width shrinks and we find a regime where the unitary conductance limit is reached in the incoherent resonant tunneling. We interpret this behavior as a manifestation of a quantum phase transition.</p><p>Finally, our setup emulates tunneling in a Luttinger liquid (LL), an interacting one-dimensional electron system, that is distinct from the conventional Fermi liquids formed by electrons in two and three dimensions. Some of the most spectacular properties of LL are revealed in the process of electron tunneling: as a function of the applied bias or temperature the tunneling current demonstrates a non-trivial power-law suppression. Our setup allows us to address many prediction of resonant tunneling in a LL, which have not been experimentally tested yet.</p> / Dissertation

Thermalization, the evolution of an interacting many-body system towards a thermal Gibbs ensemble after initialization in an arbitrary non-equilibrium state, is currently a phenomenon of great interest, both in theory and experiment. As the time evolution of a quantum system is unitary, the proposed mechanism of thermalization in quantum many-body systems corresponds to the so-called eigenstate thermalization hypothesis (ETH) and the typicality of eigenstates. Although this formally solves the contradiction of thermalizing but unitary dynamics in a closed quantum many-body system, it does neither make any statement on the dynamical process of thermalization itself nor in which way the coupling of the system to an environment can hinder or modify the relaxation dynamics. In this thesis, we address both the question whether or not a quantum system driven away from equilibrium is able to relax to a thermal state, which fulfills detailed balance, and if one can identify universal behavior in the non-equilibrium relaxation dynamics. As a first realization of driven quantum systems out of equilibrium, we investigate a system of Ising spins, interacting with the quantized radiation field in an optical cavity. For multiple cavity modes, this system forms a highly entangled and frustrated state with infinite correlation times, known as a quantum spin glass. In the presence of drive and dissipation, introduced by coupling the intra-cavity radiation field to the photon vacuum outside the cavity via lossy mirrors, the quantum glass state is modified in a universal manner. For frequencies below the photon loss rate, the dissipation takes over and the system shows the universal behavior of a dissipative spin glass, with a characteristic spectral density $\\mathcal{A}(\\omega)\\sim\\sqrt{\\omega}$. On the other hand, for frequencies above the loss rate, the system retains the universal behavior of a zero temperature, quantum spin glass. Remarkably, at the glass transition, the two subsystems of spins and photons thermalize to a joint effective temperature, even in the presence of photon loss. This thermalization is a consequence of the strong spin-photon interactions, which favor detailed balance in the system and detain photons from escaping the cavity. In the thermalized system, the features of the spin glass are mirrored onto the photon degrees of freedom, leading to an emergent photon glass phase. Exploiting the inherent photon loss of the cavity, we make predictions of possible measurements on the escaping photons, which contain detailed information of the state inside the cavity and allow for a precise, non-destructive measurement of the glass state. As a further set of non-equilibrium systems, we consider one-dimensional quantum fluids driven out of equilibrium, whose universal low energy theory is formed by the so-called Luttinger Liquid description, which, due to its large degree of universality, is of intense theoretical and experimental interest. A set of recent experiments in research groups in Vienna, Innsbruck and Munich have probed the non-equilibrium time-evolution of one-dimensional quantum fluids for different experimental realizations and are pushing into a time regime, where thermalization is expected. From a theoretical point of view, one-dimensional quantum fluids are particular interesting, as Luttinger Liquids are integrable and therefore, due to an infinite number of constants of motion, do not thermalize. The leading order correction to the quadratic theory is irrelevant in the sense of the renormalization group and does therefore not modify static correlation functions, however, it breaks integrability and will therefore, even if irrelevant, induce a completely different non-equilibrium dynamics as the quadratic Luttinger theory alone. In this thesis, we derive for the first time a kinetic equation for interacting Luttinger Liquids, which describes the time evolution of the excitation densities for arbitrary initial states. The resonant character of the interaction makes a straightforward derivation of the kinetic equation, using Fermi\'s golden rule, impossible and we have to develop non-perturbative techniques in the Keldysh framework. We derive a closed expression for the time evolution of the excitation densities in terms of self-energies and vertex corrections. Close to equilibrium, the kinetic equation describes the exponential decay of excitations, with a decay rate $\\sigma^R=\\mbox\\Sigma^R$, determined by the self-energy at equilibrium. However, for long times $\\tau$, it also reveals the presence of dynamical slow modes, which are the consequence of exactly energy conserving dynamics and lead to an algebraic decay $\\sim\\tau^$ with $\\eta_D=0.58$. The presence of these dynamical slow modes is not contained in the equilibrium Matsubara formalism, while they emerge naturally in the non-equilibrium formalism developed in this thesis. In order to initialize a one-dimensional quantum fluid out of equilibrium, we consider an interaction quench in a model of interacting, dispersive fermions in Chap.~\\ref. In this scenario, the fermionic interaction is suddenly changed at time $t=0$, such that for $t>0$ the system is not in an eigenstate and therefore undergoes a non-trivial time evolution. For the quadratic theory, the stationary state in the limit $t\\rightarrow\\infty$ is a non-thermal, or prethermal, state, described by a generalized Gibbs ensemble (GGE). The GGE takes into account for the conservation of all integrals of motion, formed by the eigenmodes of the Hamiltonian. On the other hand, in the presence of non-linearities, the final state for $t\\rightarrow\\infty$ is a thermal state with a finite temperature $T>0$. . The spatio-temporal, dynamical thermalization process can be decomposed into three regimes: A prequench regime on the largest distances, which is determined by the initial state, a prethermal plateau for intermediate distances, which is determined by the metastable fixed point of the quadratic theory and a thermal region on the shortest distances. The latter spreads sub-ballistically $\\sim t^$ in space with $0<\\alpha<1$ depending on the quench. Until complete thermalization (i.e. for times $t<\\infty$), the thermal region contains more energy than the prethermal and prequench region, which is expressed in a larger temperature $T_{t}>T_$, decreasing towards its final value $T_$. As the system has achieved local detailed balance in the thermalized region, energy transport to the non-thermal region can only be performed by the macroscopic dynamical slow modes and the decay of the temperature $T_{t}-T_\\sim t^$ again witnesses the presence of these slow modes. The very slow spreading of thermalization is consistent with recent experiments performed in Vienna, which observe a metastable, prethermal state after a quench and only observe the onset of thermalization on much larger time scales. As an immediate indication of thermalization, we determine the time evolution of the fermionic momentum distribution after a quench from non-interacting to interacting fermions. For this quench scenario, the step in the Fermi distribution at the Fermi momentum $k\\sub$ decays to zero algebraically in the absence of a non-linearity but as a stretched exponential (the exponent being proportional to the non-linearity) in the presence of a finite non-linearity. This can serve as a proof for the presence or absence of the non-linearity even on time-scales for which thermalization can not yet be observed. Finally, we consider a bosonic quantum fluid, which is driven away from equilibrium by permanent heating. The origin of the heating is atomic spontaneous emission of laser photons, which are used to create a coherent lattice potential in optical lattice experiments. This process preserves the system\'s $U(1)$-invariance, i.e. conserves the global particle number, and the corresponding long-wavelength description is a heated, interacting Luttinger Liquid, for which phonon modes are continuously populated with a momentum dependent rate $\\partial_tn_q\\sim\\gamma |q|$. In the dynamics, we identify a quasi-thermal regime for large momenta, featuring an increasing time-dependent effective temperature. In this regime, due to fast phonon-phonon scattering, detailed balance has been achieved and is expressed by a time-local, increasing temperature. The thermal region emerges locally and spreads in space sub-ballistically according to $x_t\\sim t^{4/5}$. For larger distances, the system is described by an non-equilibrium phonon distribution $n_q\\sim |q|$, which leads to a new, non-equilibrium behavior of large distance observables. For instance, the phonon decay rate scales universally as $\\gamma_q\\sim |q|^{5/3}$, with a new non-equilibrium exponent $\\eta=5/3$, which differs from equilibrium. This new, universal behavior is guaranteed by the $U(1)$ invariant dynamics of the system and is insensitive to further subleading perturbations. The non-equilibrium long-distance behavior can be determined experimentally by measuring the static and dynamic structure factor, both of which clearly indicate the exponents for phonon decay, $\\eta=5/3$ and for the spreading of thermalization $\\eta_T=4/5$. Remarkably, even in the presence of this strong external drive, the interactions and their aim to achieve detailed balance are strong enough to establish a locally emerging and spatially spreading thermal region. The physical setups in this thesis do not only reveal interesting and new dynamical features in the out-of-equilibrium time evolution of interacting systems, but they also strongly underline the high degree of universality of thermalization for the classes of models studied here. May it be a system of coupled spins and photons, where the photons are pulled away from a thermal state by Markovian photon decay caused by a leaky cavity, a one-dimensional fermionic quantum fluid, which has been initialized in an out-of-equilibrium state by a quantum quench or a one-dimensional bosonic quantum fluid, which is driven away from equilibrium by continuous, external heating, all of these systems at the end establish a local thermal equilibrium, which spreads in space and leads to global thermalization for $t\\rightarrow\\infty$. This underpins the importance of thermalizing collisions and endorses the standard approach of equilibrium statistical mechanics, describing a physical system in its steady state by a thermal Gibbs ensemble.

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.

Il aura fallu plusieurs années après que l'idée d'une transition de phase à température nulle émerge pour que l'on comprenne l'impact d'un tel point critique quantique sur une vaste région du diagramme de phase. Observé dans de nombreux exemples expérimentaux, ce régime critique quantique n'est toutefois pas encore bien compris sur le plan théorique et nécessite de nouvelles approches. Dans une première partie, nous nous intéressons au point critique quantique ferromagnétique. Après avoir construit une approche contrôlée permettant de décrire le régime critique quantique, nous montrons au travers de la susceptibilité statique de spin que le point critique quantique ferromagnétique est instable, détruit par une interaction effective dynamique à longue portée générée par l'amortissement de Landau des fluctuations de spin. Dans une seconde partie, nous revisitons le cas d'une impureté Kondo exactement écrantée avec une représentation bosonique du spin local et dans une limite de grande dégénérescence de spin N. Nous montrons que dans ce régime, l'état fondamental est un liquide de Fermi non-trivial contrairement à ce qui était communément admis. Nous étendons alors notre méthode au cas de deux impuretés couplées où nos résultats coincident qualitativement avec les approches déjà existantes. Ensuite, nous développons un formalisme de Luttinger-Ward capable de pallier certains défauts de l'approche originale pour la description d'une impureté isolée. Enfin, nous détaillons les bases ainsi que les premiers résultats de l'extension à un réseau Kondo de moments locaux, pertinent pour la compréhension du régime critique quantique des matériaux de type fermions lourds.

Le point central de cette thèse est la physique du bruit: la transformée de Fourier de la function de correlation temporelle courant-courant. Nous examinons des situations dans lesquelles le bruit généré par un circuit mésoscopique donné affecte le comportement d'un autre circuit mésoscopique. Dans une première partie, la source de bruit est inconnue, et le circuit mésoscopique qui lui est couplé de manière capacitive se comporte comme un détecteur de bruit à haute fréquence. Dans notre cas, le détecteur est constitué d'une jonction métal normal-supraconducteur, où le transport électronique est du au transfert de<br />quasiparticules, ou, de manière plus intéressante, est du à la réflexion d'Andreev. La théorie du blocage de Coulomb dynamique est utilisée pour calculer le courant continu qui passe dans le circuit de détection, procurant ainsi une information sur le bruit à haute fréquence. Dans la deuxième partie de cette thèse, la source de bruit est connue : elle provient d'une barre de Hall avec un contact ponctuel, dont les caractéristiques de courant-tension et de bruit sont bien établies dans le régime de l'effet Hall<br />quantique fractionnaire. Un point quantique connecté à des bornes source et drain, qui est placé au voisinage du<br />contact ponctuel, acquière une largeur de raie finie lorsque le courant fluctue, et se comporte comme un<br />détecteur de bruit de charge. Nous calculons le taux de déphasage du point quantique dans le régime de<br />faible et de fort rétrodiffusion, tout en décrivant l'effet de l'écrantage faible ou fort de l'interaction<br />Coulombienne entre la barre de Hall et le point quantique.

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