This thesis focuses on the manipulation of rubidium 87 atoms in a microscopic optical dipole trap. The experiments are performed in various regimes where the number of atoms in the microscopic trap ranges from exactly one atom to several thousands on average.The single atom regime allows us to calibrate the experimental setup. We use it a quantum bit, which state we can prepare and read out with efficiencies of 99.97% and 98.6%, respectively. When several atoms are loaded in the microscopic trap we observe a sub-Poissonian distribution of the number of atoms due to light-assisted collisions in the presence of near-resonant light. A study of these collisions in our particular case (microscopic trap) reveals extremely high loss rates approaching the theoretical Langevin limit. Finally, we demonstrate that the loading of the microscopic trap is more efficient when we superimpose on this trap a second macroscopic trap, which we use as an atom reservoir. This reservoir allows us to load the micro trap from the macro trap in the absence of any near-resonant light, thus avoiding light-assisted collisions.The loading of the micro trap from the macro trap leads to optimal initial conditions for forced evaporation towards Bose-Einstein condensation with about ten atoms only. After evaporation we reach phase-space densities approaching the degenerate regime.

Spintronique moléculaire : de la vanne de spin à la détection d'un spin unique. Parmi les thématiques qui ont émergé ces dix dernières années, la spintronique moléculaire est intéressante de par son caractère hybride, à la croisée entre l'électronique de spin, l'électronique moléculaire et le magnétisme moléculaire. Dans ce nouveau domaine, on cherche à exploiter les propriétés magnétiques et quantiques des aimants moléculaires pour créer des dispositifs originaux, utiles en spintronique ou en information quantique. Mon projet de thèse s'inscrit dans cette perspective en voulant combiner un transistor à nanotube de carbone avec des aimants à molécule unique, en les couplant par des interactions supramoléculaires. L'objectif est d'observer le renversement magnétique d'une seule molécule par des mesures de transport électronique à travers le nanotube. En effet, le diamètre de ce dernier étant comparable aux dimensions d'un aimant moléculaire, le couplage devrait être suffisamment fort pour en permettre la détection. La réalisation d'un tel dispositif, un défi technique, et la question de savoir s'il était réellement possible de détecter et de caractériser le moment d'une seule molécule ont constitué les deux enjeux majeurs de cette thèse. Une grande partie du travail réalisé porte sur la fabrication du dispositif expérimental par des techniques de micro- et nano-fabrication, ainsi que sur l'optimisation du greffage des aimants moléculaires sur la surface du nanotube. Dans un second temps, nous nous intéressons à l'étude du système et à son comportement à très basse température (100 mK). En effet, la proximité des aimants moléculaires TbPc2 modifie de façon spectaculaire les propriétés de transport d'un nanotube. En particulier, nous présentons la réalisation d'un dispositif dont la réponse est analogue à une vanne de spin classique, où les molécules magnétiques jouent le rôle de polariseur ou d'analyseur de spin. Grâce à ce système, nous avons réussi à affiner nos connaissances sur TbPc2. Entre autres résultats, nous sommes parvenus à isoler et à caractériser le retournement du moment magnétique d'un seul ion de terbium. Enfin, la dernière partie de cette thèse est consacrée à l'étude de l'interaction hyperfine au sein du terbium. En réalisant un dispositif qui n'est couplé qu'à deux molécules, nous avons mis en évidence qu'il est possible de réaliser une lecture directe de l'état d'un spin nucléaire unique.

Cette thèse est consacrée à la manipulation d'excitations mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique, par l'implémentation d'expériences d'optique quantique électronique avec la résolution d'une charge élémentaire. Une capacité mésoscopique produit à la demande des excitations monoélectroniques dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique. Nous mesurons les fluctuations de courant après partitionnement des excitations sur une lame séparatrice électronique, dans un analogue de l'expérience de Hanbury-Brown & Twiss, afin de révéler les excitations neutres (paires électron/trou) qui peuvent accompagner la charge produite. Les excitations thermiques dans la mer de Fermi sont alors responsables d'interférences à deux particules qui permettent d'obtenir des informations sur la distribution en énergie des quasiparticules émises par la source. A l'aide de deux sources indépendantes et synchronisées, nous générons deux quasi-particules indiscernables, qui interfèrent sur une lame séparatrice dans un analogue de l'expérience de Hong-Ou-Mandel. La visibilité de ce phénomène est possiblement limité par la décohérence des paquets d'ondes électroniques par interaction avec l'environnement, notamment les autres canaux de bords. En mesurant le couplage capacitif entre deux canaux de bords co-propageant, nous caractérisons les effets de l'interaction coulombienne et mettons en évidence un mode neutre de propagation. Ces expériences constituent les premières implémentations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques, et permettent d'envisager des expériences plus complexes comme la tomographie d'un paquet d'onde mono-électronique.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Neste trabalho, Ã proposto um dispositivo de controle de corrente que explora a fase adquirida por um portador de carga quando este tunela atravÃs de uma barreira de potencial no grafeno no regime balÃstico sem a necessidade da presenÃa de um gap no espectro de energias. O sistema atua como um interferÃmetro baseado em um anel quÃntico de grafeno com bordas armchair, onde a diferenÃa de fase entre as funÃÃes de onda para elÃtrons que tomam diferentes caminhos pode ser controlada atravÃs da intensidade das barreiras de potencial nos braÃos do anel. Variando os parÃmetros das barreiras a interferÃncia pode tornar-se completamente destrutiva. Ã demonstrado como esse efeito de interferÃncia pode ser utilizado para o desenvolvimento de portas lÃgicas simples baseadas em grafeno. / 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.

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.

This thesis addresses electron spin phenomena in semi-conductor quantum dots/anti-dots from a computational perspective. In the first paper (paper I) we have studied spin-dependent transport through open quantum dots, i.e., dots strongly coupled to their leads, within the Hubbard model. Results in this model were found consistent with experimental data and suggest that spin-degeneracy is lifted inside the dot – even at zero magnetic field. Similar systems were also studied with electron-electron effects incorporated via Density Functional Theory (DFT) in paper III. Within DFT we found a significant spin-polarisation in the dot at low electron densities. As the electron density increases the spin polarisation in the dot gradually diminishes. These findings are consistent with available experimental observations. Notably, the polarisation is qualitatively different from the one found in the Hubbard model – this indicates that the simplified approach to electronelectron interaction in the Hubbard model might not always be reliable. In paper II we propose a spin-filter device based on resonant backscattering of edge states against a quantum anti-dot embedded in a quantum wire. A magnetic field is applied and the spin up/spin down states are separated through Zeeman splitting. Their respective resonant states may be tuned so that the device can be used to filter either spin in a controlled way. / <p>Report code: LIU-Tek-Lic 2005:65</p>

Cette thèse décrit deux expériences mettant en lumière l'existence d'un degré de liberté fermionique dans l'effet Josephson: le doublet d'Andreev. Elles sont toutes les deux réalisées sur l'élément Josephson le plus élémentaire qui soit, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans la première, nous avons observé la disparition du supercourant, qui traduit le piégeage spontané d'une quasiparticule dans l'un des deux états liés d'Andreev. Dans la seconde, nous avons réalisé la spectroscopie photonique de ce système à deux niveaux, en utilisant une jonction Josephson à la fois en tant qu'émetteur et détecteur microonde. On peut bien rendre compte des spectres observés avec un modèle spin-boson incluant le doublet d'Andreev et un mode électromagnétique de l'environnement.

Cette thèse traite de la manipulation d'atomes de rubidium 87 piégés dans un piège optique dipolaire microscopique. Les expériences sont réalisées dans divers régimes de chargement du piège allant d'un atome unique à quelques milliers d'atomes en moyenne.Le régime à un seul atome permet de calibrer le dispositif expérimental. Nous utilisons l'atome unique comme bit quantique dont nous pouvons préparer et lire l'état avec une efficacité de 99.97% et 98.6%, respectivement. Lorsque plusieurs atomes sont chargés dans le piège microscopique, nous observons une distribution sub-Poissonienne du nombre d'atomes, liée aux collisions assistées par la présence de lumière quasi résonante. Une étude de ces collisions dans notre cas particulier (piège microscopique) révèle des taux de pertes extrêmement élevés, proches de la limite théorique de Langevin. Enfin, nous montrons que le chargement du piège microscopique avec plusieurs atomes est plus efficace lorsque nous superposons sur ce piège un deuxième piège, macroscopique, qui joue le rôle de réservoir d'atomes. Ce réservoir permet de charger le micro-piège à partir du macro-piège en l'absence de lumière quasi résonante et donc d'éviter les collisions assistées par la lumière.Le chargement du micro-piège à partir du macro-piège conduit à des conditions initiales optimales pour l'évaporation forcée dans la perspective d'atteindre la condensation de Bose-Einstein avec seulement une dizaine d'atomes. Après évaporation du gaz nous atteignons des densités dans l'espace des phases proches du régime de dégénérescence. / This thesis focuses on the manipulation of rubidium 87 atoms in a microscopic optical dipole trap. The experiments are performed in various regimes where the number of atoms in the microscopic trap ranges from exactly one atom to several thousands on average.The single atom regime allows us to calibrate the experimental setup. We use it a quantum bit, which state we can prepare and read out with efficiencies of 99.97% and 98.6%, respectively. When several atoms are loaded in the microscopic trap we observe a sub-Poissonian distribution of the number of atoms due to light-assisted collisions in the presence of near-resonant light. A study of these collisions in our particular case (microscopic trap) reveals extremely high loss rates approaching the theoretical Langevin limit. Finally, we demonstrate that the loading of the microscopic trap is more efficient when we superimpose on this trap a second macroscopic trap, which we use as an atom reservoir. This reservoir allows us to load the micro trap from the macro trap in the absence of any near-resonant light, thus avoiding light-assisted collisions.The loading of the micro trap from the macro trap leads to optimal initial conditions for forced evaporation towards Bose-Einstein condensation with about ten atoms only. After evaporation we reach phase-space densities approaching the degenerate regime.

Ce mémoire d'habilitation à diriger les recherches présente des théories de champ moyen que j'ai appliquées à l'étude de systèmes d'électrons à fortes corrélations. Il s'appuie sur des travaux que j'ai effectués, pour certains dans la continuité de ma thèse, pour d'autres dans des directions nouvelles. L'une des problématiques centrales est celle des transitions de phases quantiques, et les systèmes considérés ont le point commun de décrire des impuretés quantiques, réelles ou artificielles. Les différentes méthodes de champ moyen utilisées sont présentées par des exemples dans le cadre de problèmes physiques particuliers. Après un premier chapitre introductif fortement focalisé sur l'exemple des composés d'électrons f, ce mémoire est structuré en trois chapitres principaux connectés respectivement aux trois thématiques suivantes : les composés Kondo, les liquides de spin, et les systèmes désordonnés.

Cette thèse présente des mesures de transport électronique dans des systèmes bi-dimensionels et uni-dimensionels à base de graphène sous champ magnétique pulsé (60T). L'objectif de ces travaux consiste à sonder la dynamique des porteurs de charge en modifiant la densité d'états du système par l'application d'un champ magnétique. Une première partie est consacrée à l'étude de l'influence des îlots électrons-trous sur les propriétés de transport du graphène au voisinage du point de neutralité de charge. Nous avons constaté l'apparition de fluctuations de la magnéto-résistance liée à la transition progressive des îlots de taille finie dans le régime quantique lorsque le champ magnétique augmente. Nous avons aussi montré que la variation de l'énergie de Fermi, liée à l'augmentation de la dégénérescence orbitale des niveaux de Landau, est directement responsable d'une modification du ratio entre électrons et trous. Dans une deuxième partie consacrée à l'étude des nanorubans de graphène, nous avons exploré deux gammes de largeur différentes. Dans les rubans larges (W>60nm), la quantification de la résistance a été observée révélant ainsi une signature évidente de la quantification du spectre énergétique en niveaux de Landau. Le confinement magnétique des porteurs de charge sur les bords des nano rubans a permis de mettre en évidence, pour la première fois, la levée de dégénérescence de vallée liée à la configuration " armchair " du ruban. Pour des rubans plus étroits (W<30nm), en présence de défauts de bord et d'impuretés chargées, la formation progressive des états de bords chiraux donne lieu à une magnéto-conductance positive quelque soit la densité de porteurs. Enfin, la dernière partie traite du magnéto-transport dans le graphene multi feuillet. En particulier, nous avons observé l'effet Hall quantique dans les systèmes tri-couches de graphène. Une étude comparative des résultats expérimentaux avec des simulations numériques a permis de déterminer l'empilement rhomboédrique des trois couches de graphène constituant l'échantillon.