This thesis discusses the elastic and inelastic scattering in monolayer graphene, investigated by means of microwave carrier dynamics and noise. We study in a first part the high frequency properties of graphene field‐effect transistors on different substrates. Particular interest lies in the figures of merit like e.g. the transit frequency fT, defining the transistor's current amplification capabilities, and the transconductance gm representing its gate sensitivity. High values are obtained for both parameters in GHz measurements. We find in particular that these figures remain substantial even in miniaturized devices. We introduce top‐gated graphene field‐effect capacitors as a probe of the elastic scattering mechanisms in graphene. Employing similar techniques as in the transistor experiments, we are able to directly access the diffusion constant D and its dependence on carrier density. The latter is the signature of the scattering mechanism present in the graphene sheet. Our novel GHz experiments reveal a constant transport scattering time as a function of energy which is in disagreement with conventional theoretical predictions, but supports the random Dirac mass disorder mechanism. Furthermore, we study inelastic scattering of charge carriers by acoustic phonons in graphene which is among the first realizations of such an experiment in a genuine two‐dimensional geometry. A broadband cryogenic noise thermometry setup is used to detect the electronic fluctuations, the current noise, from which we extract the average electron temperature Te as a function of Joule power P. At high bias we find P∝ΣTe^4 as predicted by theory and which is the tell‐tale sign of a 2D phonon cooling mechanism. From a heat equation analysis of data in a broad bias range, we extract accurate values of the electron‐acoustic phonon coupling constant Σ. Our measurements point to an important effect of lattice disorder in the electron‐phonon energy relaxation.

Dans cette thèse, on s'intéresse au transport quantique des électrons dans des nano-systèmes et des cavités chaotiques . En particulier, on apporte dans un premier temps la base théorique qui permet d'expliquer les expériences de microscopie à effet de grille dans des contacts quantiques ponctuels.

This dissertation discusses the Landau-Zener (LZ) theory and its application in noisy environments and in many-body systems. The first project considers the effect of fast quantum noise on LZ transitions. There are two important time intervals separated by the characteristic LZ time. For each interval we derive and solve the evolution equation, and match the solutions at the boundaries to get a complete solution. Outside the LZ time interval, we derive the master equation, which differs from the classical equation by a quantum commutation term. Inside the LZ time interval, the mixed longitudinal-transverse noise correlation renormalizes the LZ gap and the system evolves according to the renormalized LZ gap. In the extreme quantum regime at zero temperature our theory gives a beautiful result which coincides with that of other authors. Our initial attempts to solve two experimental puzzles - an isotope effect and the quantized hysteresis curve of a single molecular magnet - are also discussed. The second project considers an ultracold dilute Fermi gas in a magnetic field sweeping across the broad Feshbach resonance. The broad resonance condition allows us to use the single mode approximation and to neglect the energy dispersion of the fermions. We then propose the Global Spin Model Hamiltonian, whose ground state we solve exactly, which yields the static limit properties of the BEC-BCS crossover. We also study the dynamics of the Global Spin Model by converting it to a LZ problem. The resulting molecular production from the initial fermions is described by a LZ-like formula with a strongly renormalized LZ gap that is independent of the initial fermion density. We predict that molecular production during a field-sweep strongly depends on the initial value of magnetic field. We predict that in the inverse process of molecular dissociation, immediately after the sweeping stops there appear Cooper pairs with parallel electronic spins and opposite momenta.

SOUSA, Duarte José Pereira de. Transporte eletrônico em anéis quânticos de grafeno. 2015. 83 f. Dissertação (Mestrado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2015. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2016-01-05T19:55:02Z No. of bitstreams: 1 2015_dis_djpsousa.pdf: 9267324 bytes, checksum: 1dab83c7a9473498a415cb6cb9e5bf4b (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2016-01-05T19:55:40Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2015_dis_djpsousa.pdf: 9267324 bytes, checksum: 1dab83c7a9473498a415cb6cb9e5bf4b (MD5) / Made available in DSpace on 2016-01-05T19:55:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2015_dis_djpsousa.pdf: 9267324 bytes, checksum: 1dab83c7a9473498a415cb6cb9e5bf4b (MD5) Previous issue date: 2015 / In this work, we propose a current switch device that exploits the phase acquired by a charge carrier as it tunnels through a potential barrier in graphene in the ballistic regime without the need of the presence of a gap in the spectrum. The system acts as an interferometer based on an armchair graphene quantum ring, where the phase difference between interfering electronic wave functions for each path can be controlled by tuning the height of a potential barrier in the ring arms. By varying the parameters of the potential barriers the interference can become completely destructive. We demonstrate how this interference effect can be used for developing a simple graphene-based logic gate. / Neste trabalho, é proposto um dispositivo de controle de corrente que explora a fase adquirida por um portador de carga quando este tunela através de uma barreira de potencial no grafeno no regime balístico sem a necessidade da presença de um gap no espectro de energias. O sistema atua como um interferômetro baseado em um anel quântico de grafeno com bordas armchair, onde a diferença de fase entre as funções de onda para elétrons que tomam diferentes caminhos pode ser controlada através da intensidade das barreiras de potencial nos braços do anel. Variando os parâmetros das barreiras a interferência pode tornar-se completamente destrutiva. É demonstrado como esse efeito de interferência pode ser utilizado para o desenvolvimento de portas lógicas simples baseadas em grafeno.

Cette thèse présente une étude expérimentale des modifications des propriétés de diffusion résonante de la lumière par des nuages mésoscopiques de rubidium 87 froids dont la densité peut être variée. pour des densités de l’ordre de 1014 atomes/cm3, les distances entre certains atomes deviennent bien plus petites que la longueur d’onde du rayonnement à résonance avec la transition d2 (780 nm) du rubidium 87. l’ampleur des interactions dipôle-dipôle entre ces diffuseurs empêche alors de les considérer comme étant indépendants les uns des autres: on parle de diffusion collective. les méthodes employées pour produire les échantillons étudiés s’appuient sur des techniques de refroidissement (ralentisseur zeeman et piège magnéto-optique) et de piégeage (pinces optiques) d’atomes neutres permettant d’obtenir des ensembles d’atomes froids (environ 100 µK) allant d’exactement un à plusieurs centaines d’entre eux. les observations réalisées portent sur la lumière diffusée par ces atomes, collectée grâce à un système optique de grande ouverture numérique. l’étude consiste dans un premier temps en la caractérisation la diffusion résonante de lumière par un unique atome. elle aboutit notamment à la mesure du retard dans la diffusion par un atome d’un paquet d’ondes lumineuses, appelé délai de wigner, dans des conditions proches d’une expérience de pensée. dans un second temps, cette étude porte sur les propriétés de diffusion collective de lumière par des ensembles denses d’atomes. elle rapporte en particuliers une mesure de la suppression de l’excitation des nano-nuages en fonction de leur densité. / This thesis reports an experimental study of the modifications of the near-resonant light scattering properties of mesoscopic cold clouds of rubidium 87 which densities are tunable. for densities of the order of 1014 atoms/cm3, inter-atomic distances can be smaller than the wavelength of the radiation at resonance with the d2 line (780 nm) of rubidium 87. the magnitude of the dipole-dipole interactions between the scatters is such that they can no longer be considered as independent of each other: a phenomenon called collective scattering. the methods used to produce the studied samples are based on cooling (zeeman slower and magneto-optical trap) and trapping (optical tweezers) techniques for neutral atoms. they allow obtaining cold (100 µK) atomic ensembles containing from exactly one to several hundreds of atoms. the observations performed are based on the light scattered by these atoms which is collected thanks to a high numerical aperture optical system. in a first step, this study consists in characterizing the near-resonant light scattering by a single atom. it leads to the measurement of the delay in the scattering by an atom of a wave packet of light, called wigner delay, in conditions close to those of a gedanken experiment. in a second step, this study deals with the collective scattering of light by dense atomic ensembles. it especially reports a measurement of the suppression of the excitation of the nano-clouds versus their densities.

Lorsque l’on place des atomes suffisamment proches les uns des autres, l’interaction dipôle-dipôle résonante entre les atomes modifie leurs propriétés. Les atomes se comportent alors de manière collective. Ces effets collectifs se produisent lorsque les distances interparticulaires sont de l’ordre de l/(2Pi), où l est la longueur d’onde de la transition atomique. La densité atomique est alors de l’ordre de 10^14 at/cm^3. Afin de créer des échantillons d’atomes froids présentant des densités aussi élevées, nous avons mis en place plusieurs méthodes de chargement de nos pinces optiques de taille micrométrique. L’une d’elles utilise un processus d’évaporation forcée qui amène les atomes proches de la dégénérescence quantique. En utilisant des nuages denses contenant quelques centaines d’atomes à des densités spatiales élevées, et en étudiant les modifications de la diffusion de la lumière qui en résultent, nous avons pu mettre en évidence des effets collectifs entre les atomes. Nous avons par ailleurs mesuré le retard de Wigner associé à la diffusion élastique de la lumière par un atome unique de rubidium. Nous avons mesuré un retard proche de la valeur théorique, c’est-à-dire deux fois la durée de vie de la transition atomique (52 ns). / When several atoms are placed close to each other, the resonant dipole-dipole interactionbetween atoms modifies the atomic properties and atoms behave collectively. These collective effects occur for interatomic distances on the order of l/(2Pi) where l is the wavelength of the atomic transition. The atomic density is then on the order of 10^14 at/cm^3. To create such cold atomic samples, we load optical tweezers with a microscopic size according to several loading schemes. One of them uses forced evaporative cooling and brings the atoms close to quantum degeneracy. We have used dense clouds containing a few hundred atoms with a high spatial density to demonstrate collective effects between the atoms. In particular, we have studied how these effects modify the scattering of light by the cloud. Besides, we have also measured for the first time the time-delay associated to the elastic scattering of light by a single rubidium atom, the so-called Wigner delay. We have shown that this delay is close to the theoretical prediction of twice the lifetime of the atomic transition (52 ns).

Une propriété fondamentale de l'effet Hall quantique est la présence des états de bord. Ils résistent á la localisation et sont responsables de la quantification parfaite de la conductance de Hall. La transition entre les plateaux d'effet Hall quantique entier est une transition de délocalisation, qui peut être identifiée comme un point fixe de couplage fort d'un modèle sigma supersymétrique en 1+1-dimensions avec terme topologique theta. La théorie conforme décrivant cette transition présente des caractéristiques inhabituelles telles que la non-unitarité, et a résisté á toute tentative de résolution jusqu'á présent. Dans cette thèse, nous étudions le rôle des états de bord dans les transitions d'effet Hall, en utilisant des discrétisations sur réseau de modèles sigma. Les états de bord correspondent aux conditions aux bord pour les champs des modèles sigma, et peuvent être discrétisés en terme de chaînes de spins quantiques ou de modèles géométriques (de boucles). Pour l'effet Hall de spin, un équivalent de l'effet Hall entier pour le transport de spin (classe C), nos techniques permettent le calcul exact des exposants critiques des théories conformes avec bord décrivant les transitions entre plateaux élevés. Nos prédictions pour la moyenne de la conductance de spin sont validées par des simulations numériques des problèmes de localisation correspondant. Dans cette thèse, envisageant des applications au transport dans les modèles sur réseau des électrons désordonnés en 2+1-dimensions, et aux trempes dans des systèmes quantiques á une dimension, nous avons également développé un nouveau formalisme pour calculer des fonctions de partition de systèmes critiques sur un rectangle. Comme application, nous dérivons des formules de probabilités pour les marches auto-évitantes.

La r eduction (\scaling") continue des dimensions des transistors MOS- FET nous a conduits a l' ere de la nano electronique. Le transistor a ef- fet de champ multi-grilles (MultiGate FET, MuGFET) avec l'architecture \nano l canal" est consid er e comme un candidat possible pour le scaling des MOSFET jusqu' a la n de la roadmap. Parall element au scaling des CMOS classiques ou scaling suivant la loi de Moore, de nombreuses propo- sitions de nouveaux dispositifs, exploitant des ph enom enes nanom etriques, ont et e faites. Ainsi, le transistor mono electronique (SET), utilisant le ph enom ene de \blocage de Coulomb", et le transistor a atome unique (SAT), en tant que transistors de dimensions ultimes, sont les premiers disposi- tifs nano electroniques visant de nouvelles applications comme la logique a valeurs multiples ou l'informatique quantique. Bien que le SET a et e ini- tialement propos e comme un substitut au CMOS (\Au-del a du dispositif CMOS"), il est maintenant largement consid er e comme un compl ement a la technologie CMOS permettant de nouveaux circuits fonctionnels. Toutefois, la faible temp erature de fonctionnement et la fabrication incompatible avec le proc ed e CMOS ont et e des contraintes majeures pour l'int egration SET avec la technologie FET industrielle. Cette th ese r epond a ce probl eme en combinant les technologies CMOS de dimensions r eduites, SET et SAT par le biais d'un sch ema d'int egration unique a n de fabriquer des transistors \Trigate" nano l. Dans ce travail, pour la premi ere fois, un SET fonction- nant a temp erature ambiante et fabriqu es a partir de technologies CMOS SOI a l' etat de l'art (incluant high-k/grille m etallique) est d emontr e. Le fonctionnement a temp erature ambiante du SET n ecessite une le (ou canal) de dimensions inf erieures a 5 nm. Ce r esultat est obtenu grce a la r eduction du canal nano l "trigate" a environ 5 nm de largeur. Une etude plus ap- profondie des m ecanismes de transport mis en jeu dans le dispositif est r ealis ee au moyen de mesures cryog eniques de conductance. Des simula- tions NEGF tridimensionnelles sont egalement utilis ees pour optimiser la conception du SET. De plus, la coint egration sur la m^eme puce de MOS- FET FDSOI et SET est r ealis ee. Des circuits hybrides SET-FET fonction- nant a temp erature ambiante et permettant l'ampli cation du courant SET jusque dans la gamme des milliamp eres (appel e \dispositif SETMOS" dans la litt erature) sont d emontr es de m^eme que de la r esistance di erentielle n egative (NDR) et de la logique a valeurs multiples. Parall element, sur la m^eme technologie, un transistor a atome unique fonc- tionnant a temp erature cryog enique est egalement d emontr e. Ceci est obtenu par la r eduction de la longueur de canal MOSFET a environ 10 nm, si bien qu'il ne comporte plus qu'un seul atome de dopant dans le canal (dif- fus ee a partir de la source ou de drain). A basse temp erature, le trans- port d' electrons a travers l' etat d' energie de ce dopant unique est etudi e. Ces dispositifs fonctionnent egalement comme MOSFET a temp erature am- biante. Par cons equent, une nouvelle m ethode d'analyse est d evelopp ee en corr elation avec des caract eristiques a 300K et des mesures cryog eniques pour comprendre l'impact du dopant unique sur les caracteristiques du MOSFET a temp erature ambiante.

L'effet Josephson décrit le couplage cohérent entre supraconducteurs et le supercourant qui en résulte. D'un point de vue microscopique, il découle de l'existence d'états de quasiparticules discrets, localisés au niveau du lien faible, les états liés d'Andreev. Ils viennent en doublets dans chaque canal de conduction du lien faible, avec des énergies et supercourants opposés. Chaque doublet d'Andreev donne lieu à quatre états: l'état fondamental \left|-\right\rangle et l'état excité \left|+\right\rangle , avec une parité paire, et les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Est-il possible d'exciter les doublets Andreev? Cette thèse décrit deux séries d'expériences conçues pour répondre à cette question en utilisant l'élément Josephson le plus élémentaire, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans une première expérience, nous avons observé et caractérisé les états excités impairs \left|\uparrow\right\rangle et \left|\downarrow\right\rangle . Comme attendu pour un système dégénéré en spin, ils ne portent pas de supercourant. Dans cette expérience, l'excitation n'était pas contrôlée mais dû au piégeage spontanée de quasi-particules parasites dans l'un des états d'Andreev. Sous certaines conditions, le temps de vie mesuré de ces états impairs peut dépasser 100 µs. La deuxième expérience est une spectroscopie photonique des états d'Andreev. Elle a été effectuée en utilisant une junction Josephson en tant qu'émetteur et détecteur microonde. Les transitions d'Andreev observées correspondent à des excitations depuis l'état fondamental \left|-\right\rangle vers l'état excité paire \left|+\right\rangle , et sont bien décrites par notre modèle quantique. Ce résultat ouvre la voie à la manipulation cohérente de ce système à deux niveaux. L'observation directe de l'état excité d'Andreev, soit par injection de quasiparticules soit par absorption de photons, conforte la théorie mésoscopique de l'effet Josephson. Cela démontre que, en plus de la différence de phase, chaque canal d'un lien faible Josephson possède un degré de liberté fermionique interne similaire à un spin un-demi.

This thesis comprises detailed experimental and theoretical investigations of the transport properties of one-dimensional nanostructures. Most of the work is dedicated to the exploration of the fascinating effects occurring in single wall carbon nanotubes (SWCNT). These particular nanostructures gained an overwhelming interest in the past two decades due to its outstanding electronic and mechanical features. We have investigated the properties of a novel family of carbon nanostructures, named here as Y-shaped rings. The studies show that they present very interesting quantum interference effects. A high structural stability under tensile strain and elevated temperatures is observed. Within the semi-classical potential adopted, the critical strain values of structure rupture lie in the same range of their pristine SWCNT counterparts. This is directly verified by the first observations of these ring-like structures in a transmission electron microscopy. A merging process of asymmetric into symmetric rings is investigated in-situ under electron beam irradiation at high temperatures. The electronic properties of these systems are theoretically studied using Monte Carlo simulations and environment dependent tight-binding calculations. From our results, we address the possibility of double-slit like interference processes of counter-propagating electron waves in the ring-like structures. The nature of well defined, sharp peaks in the density of states are determined as the discrete eigenenergies of the central loop part. Furthermore, the formation and dispersion of standing waves inside the ring is shown to originate from the quantum-dot like confinement of each branch between the leads. The obtained dispersion relation is shown to be the same occurring in purely one-dimensional quantum dots of similar geometries. Furthermore, Fabry-Perot-like interferences are observed. We established at the IFW a bottom-up processing route to fabricate nanotube based electronic devices. The SWCNTs are grown by chemical vapor deposition and we present a detailed study of the different approaches to obtain individual nanotubes suitable for a successful integration into electronic devices. Wet-chemistry and ultra-thin films as well as ferritin were employed as catalyst particles in the growth of SWCNT samples. By adjusting the optimized process parameters, we can control the obtained yield from thick nanotube forests down to just a couple of free-standing individual SWCNTs. The nanotubes are localized, contacted by standard e-beam lithography and characterized at ambient- as well as liquid helium temperatures. We usually obtain quite transparent contacts and the devices exhibit metallic or a mixed metallic/semiconducting behavior. The well-known memory effect upon gate voltage sweeping as well as single electron tunneling in the Coulomb blockade regime are addressed.