Submitted by Vinícius Suzuki Souto (suzukivini@gmail.com) on 2018-04-27T18:06:31Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Vinícius Suzuki Souto.pdf: 5513174 bytes, checksum: 923fabb773c616a9e9f0d554496fd95f (MD5) / Approved for entry into archive by Cristina Alexandra de Godoy null (cristina@adm.feis.unesp.br) on 2018-04-27T19:05:42Z (GMT) No. of bitstreams: 1 souto_vs_me_ilha.pdf: 5405824 bytes, checksum: 3de7af056a8457da11b1a8f93dfe53ed (MD5) / Made available in DSpace on 2018-04-27T19:05:42Z (GMT). No. of bitstreams: 1 souto_vs_me_ilha.pdf: 5405824 bytes, checksum: 3de7af056a8457da11b1a8f93dfe53ed (MD5) Previous issue date: 2018-02-27 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Nesse trabalho estudou-se a dinâmica e os fatores de formação de vórtices cinemáticos em supercondutores mesoscópicos sem gap (gapless). Os resultados foram comparados com aqueles de um sistema com gap (gap-like). Para tal, as simulações computacionais foram direcionadas para a solução das equações generalizadas de Ginzburg-Landau dependente do tempo (GTDGL). Primeiramente simulamos amostras homogêneas onde verificou-se que, no sistema gap-like, as correntes se concentram no centro da amostra, com isso, há formação de vórtices cinemáticos. Para criar artificialmente o acúmulo de correntes no centro da amostra, inserimos uma constrição e assim, obtivemos a formação de vórtices cinemáticos em supercondutores gapless. A dinâmica é sempre com um par se formando nas bordas da amostra e se aniquilando no centro. Nota-se que, além da formação de VAv (início do estado resistivo) ocorrer em valores distintos da densidade de corrente aplicada para as diferentes amostras, a corrente crítica apresenta uma pequena diferença entre as amostras gapless e gap-like. Vale ressaltar que parâmetros como o tamanho dos contatos elétricos e a constrição afetam a corrente crítica da amostra, bem como a velocidade média do vórtice cinemático. / In this work we study the dynamics and the formation of kinematic vortices in gapless mesoscopic superconductors. The results were compared to those ones of a gap-like system. Then computational simulations were carried out to solve the Generalized Time-Dependent Ginzburg-Landau equations (GTDGL). Firtly, we simulated homogeneous gap-like and gapless samples where it was found that, in the rst one, the currents concentrate in the center of the sample and then, there was the formation of kinematic vortices. To arti cially promote the crowding of the currents in the center of the sample, we worked with samples a constriction. In this way, kinematic vortices in gapless superconductors were formed. The dynamic is always with a pair forming at the edges of the sample and annihilating in the center. It is noted that, besides the formation of a vortex (antivortex) (begin of resistive state) occurs at distinct values of the applied current density for diferent samples, the electric critical current presents a tiny di erence between gapless and gap-like samples. It is worth mentioning that parameters such as the size of electrical contacts and constriction a ect the critical current of the sample as well as the average velocity of the kinematic vortex. / 131002/2016-3

Les progrès des techniques de nanofabrication des dix dernières années ont permis la mise en place de protocoles visant à manipuler les charges uniques dans les nanostructures. Ces nouvelles techniques permettent d'envisager la réalisation d'expériences d'optique quantique avec des électrons. Cette thèse s'inscrit dans ce contexte. Le but de ce travail a été la construction d'un formalisme adapté à la description de telles expériences. Ce formalisme, construit en analogie avec la théorie de la cohérence quantique du champ électromagnétique de Glauber, souligne les similitudes et différences entre les photons se propageant dans le vide, et le transport électronique dans des conducteurs balistiques unidimensionnels. En particulier, il rend compte de la décohérence et de la relaxation en énergie des excitations électroniques en présence d'interactions. Un autre aspect de cette thèse a été la proposition de protocoles permettant de mesurer des quantités directement reliées aux propriétés de cohérence décrites par le formalisme de l'optique quantique électronique. En particulier, un protocole de tomographie quantique reposant sur l'effet Hanbury Brown et Twiss a été proposé pour reconstruire la cohérence à un corps d'une source monoélectronique. Ce protocole peut aussi être envisagé pour obtenir des informations sur les mécanismes de décohérence. / The last ten years saw tremendous progress in nanofabrication techniques. These progresses allowed the realization of experimental protocols aiming at the manipulation of single electrons in nanostructures. Thus, the advent of these technologies permit to envision the realization of electronic analogues of quantum optics experiments. This thesis is devoted to the theoretical study of quantum optics with electrons propagating in quantum Hall edge channels, in analogy with Glauber's theory for the quantum coherence of the electromagnetic field. The proposed formalism underlines the analogies and differences between photons propagating in the vacuum and electrons in ballistic conductors. In particular, it takes into account the decoherence and relaxation of electronic excitations under the influence of a linear electromagnetic environment. All along this thesis, efforts have been made to propose protocols aiming at accessing experimental quantities related to the coherence properties described by the electron quantum optics formalism. A particular example is a single electron quantum tomography protocol which reconstructs the single particle coherence from current noise measurements. This protocol can also be envisioned to probe decoherence mechanisms.

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.

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The advent of microfluidic technology presents many difficulties but also many opportunities for separation science. Leveraging the potential of micro- and nanofluidic geometries is not only a matter of shrinking systems. Miniaturization can shift the relative importance of physical phenomena leading to separation. Theoretical and computational studies into the consequences of miniaturization are vital. Mesoscopic, multi-particle collision dynamics simulations are performed on polyelectrolytes and hard, colloidal solutes. Multiple variations of this simulation algorithm are implemented to achieve versatility for simulating non-equilibrium flows and dispersed solutes. The algorithm is extended to simulate the effects of finite Debye layers on the electro-hydrodynamics of electrophoresing macromolecules and used to study the electrophoresis of charged oligomers, polyelectrolytes and polyampholytes in both free-solution and confined geometries. Multi-particle collision dynamics simulations of hydrodynamic chromatography and field-flow fractionation are also performed to test the predictions of the derived unified, ideal retention theory. This unified, ideal retention predicts the transitions between multiple operational modes, including Faxén-mode FFF. Simulations and the theory show that increases in drag due to hydrodynamic interactions with microfluidic channel walls perturb the retention curves from the ideal predictions at large particle sizes. Further complications to field-flow fractionation including undesirable forces perpendicular to the flow direction, slip at channel walls and rectangular channel geometries are investigated. These theoretical studies lead to the proposal of several novel fractionation techniques, namely adverse-mode FFF, slip-mode FFF and polymer/depletant HC.

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.

Aujourd’hui, la durée d’exploitation de certaines structures en béton est amenée à être prolongée, en parallèle, des structures présentent prématurément des signes d’endommagements dû parfois à une mauvaise prise en compte des conditions environnementales. Assurer la durabilité des structures, c’est également assurer leur exploitation de façon sécuritaire, économique et écologique. Notre objectif est dans un premier temps de comprendre les phénomènes et mécanismes en jeu, ainsi que leur potentiels couplages ; puis, dans un deuxième temps, de créer des modèles prédictifs fiables de ces comportements.Le travail présenté s’intéresse en particulier aux structures nucléaires, qui en plus d’avoir un enjeu majeur, présentent des risques vis-à-vis de la dessiccation et de pathologies thermo-activées comme la réaction sulfatique interne (RSI). Plus précisément, l’objectif de cette thèse est de comprendre la participation des granulats dans les mécanismes de dégradation du matériau sous ces deux sollicitations respectives, puis leur couplage.A cet effet, une approche expérimentale multi-échelle est menée. Elle s’intéresse à l’évolution des déformations différées ainsi que des propriétés mécaniques et de transfert de matériaux cimentaires soumis soit à la dessiccation, soit à la RSI. Dans les deux cas, les paramètres influents des granulats dans les mécanismes ont été mis en évidence et une étude paramétrique a été mis en place afin de dégager clairement l’influence de ces paramètres.Dans un premier temps, l’étude de la dessiccation est basée sur le suivi et la caractérisation de sept formulations modèles ; i.e. dont les squelettes granulaires ont été contrôlés et sélectionnés selon la taille et la fraction volumique des granulats dans le matériau ; sur 200 jours. Les essais ont mis en évidence l’influence de ces paramètres dans le phénomène d’incompatibilités de déformations entre pâte de ciment et granulats. En parallèle, l’étude expérimentale de la réaction sulfatique interne s’intéresse à caractériser l’influence de la nature minéralogique des granulats sur la formation et la progression de la pathologie. Nous nous intéressons à l’influence de ce paramètre sur la cinétique et le taux de la réaction, mais également sur l’évolution des propriétés du matériau, afin d’identifier tous les mécanismes physico-chimiques présents. Enfin, une dernière étude s’intéresse au couplage entre RSI et dessiccation. Ici, les paramètres granulats ont été fixés, et des échantillons réactifs vis-à-vis de la RSI ont été soumis à des cycles de séchage-imbibition. / Today, the operating life of some concrete structures is likely to be extended, in parallel, structures show early signs of damage due sometimes to poor consideration of environmental conditions. Ensuring the sustainability of structures also means ensuring their safe, economical and ecological operation. Our objective is first to understand the phenomena and mechanisms at play, as well as their potential couplings; then, in a second step, to create reliable predictive models of these behaviours.The work presented is particularly interested in nuclear structures, which, in addition to having a major stake in our societies, present risks with regard to desiccation and thermo-activated pathologies such as the delayed ettringite formation (DEF). More precisely, the objective of this thesis is to understand the participation of aggregates in the degradation mechanisms of the material under these two respective stresses, and then their coupling.To this end, a multi-scale experimental approach is being conducted. It takes interest in the evolution of delayed deformations as well as the mechanical and transfer properties of cementitious materials subjected to either desiccation or DEF. In both cases, the influential parameters of the aggregates in the mechanisms were identified and a parametric study was carried out to clearly identify the influence of these parameters.First, the desiccation study is based on the monitoring and characterization of seven model formulations; i.e. granular skeletons were controlled and selected according to the size and volume fraction of the aggregates in the material; over 200 days. The tests revealed the influence of these parameters in the phenomenon of aggregate restraint.In parallel, the experimental study of DEF aims at characterizing the influence of the mineralogical nature of aggregates on the formation and progression of the pathology. We are interested in the influence of this parameter on the reaction kinetics and rate, but also on the evolution of the material properties, in order to identify all the physico-chemical mechanisms at stake. Finally, a final study is interested in the coupling between RSI and desiccation. Here, the aggregate parameters were set, and samples reactive to DEF were subjected to drying and soaking cycles.

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The field of soft mesoscopics targets meso-structures in soft materials to elucidate the emergence of complex material behavior and biological function in soft and living materials. A snapshot of some activities in the field is provided by the contributions gathered in this focus issue.