<p>In this work, we study two important themes in the physics of the interacting one-dimensional (1D) electron gas: the transition from one-dimensional to higher dimensional behavior, and the role of inhomogeneity. The interplay between interactions, reduced dimensionality, and inhomogeneity drives a rich variety of phenomena in mesoscopic physics. In 1D, interactions fundamentally alter the nature of the electron gas, and the homogeneous 1D electron gas is described by Luttinger Liquid theory. We use Quantum Monte Carlo methods to study two situations that are beyond Luttinger Liquid theory --- the quantum phase transition from a linear 1D electron system to a quasi-1D zigzag arrangement, and electron localization in quantum point contacts. </p><p>Since the interacting electron gas has fundamentally different behavior in one dimension than in higher dimensions, the transition from 1D to higher dimensional behavior is of both practical and theoretical interest. We study the first stage in such a transition; the quantum phase transition from a 1D linear arrangement of electrons in a quantum wire to a quasi-1D zigzag configuration, and then to a liquid-like phase at higher densities. As the density increases from its lowest values, first, the electrons form a linear Wigner crystal; then, the symmetry about the axis of the wire is broken as the electrons order in a quasi-1D zigzag phase; and, finally, the electrons form a disordered liquid-like phase. We show that the linear to zigzag phase transition occurs even in narrow wires with strong quantum fluctuations, and that it has characteristics which are qualitatively different from the classical transition.</p><p>Experiments in quantum point contacts (QPC's) show an unexplained feature in the conductance known as the ``0.7 Effect''. The presence of the 0.7 effect is an indication of the rich physics present in inhomogeneous systems, and we study electron localization in quantum point contacts to evaluate several different proposed mechanisms for the 0.7 effect. We show that electrons form a Wigner crystal in a 1D constriction; for sharp constriction potentials the localized electrons are separated from the leads by a gap in the density, while for smoother potentials, the Wigner crystal is smoothly connected to the leads. Isolated bound states can also form in smooth constrictions if they are sufficiently long. We thus show that localization can occur in QPC's for a variety of potential shapes and at a variety of electron densities. These results are consistent with the idea that the 0.7 effect and bound states observed in quantum point contacts are two distinct phenomena.</p> / Dissertation

Nous avons étudiés des fils quantiques dopés de semi-conducteurs gravés par spectroscopie de diffusion Raman. Nous avons observés les excitations du gaz d'électrons. Celles-ci présentent des règles de sélection différentes de celles établies pour les systèmes bi-dimensionnels. Nous avons montré théoriquement qu'elles proviennent de la modification de la structure du champ électromagnétique local provoquée par la géométrie particulière des fils gravés. Pour cela nous avons dû calculer le champ local et l'introduire dans la section efficace de diffusion Raman pour en déduire les règles de sélection de toutes les excitations. Cela a permis de déterminer sans équivoque la nature des excitations qui sont des plasmons. Aucune excitations à une particule ni fluctuations de densité de spin n'a été observées. Nous avons étudié l'évolution continue des dispersions de ces plasmons lorsque la largeur du fil est réduite de 1 micromètre à 30 nm. Jusqu'à 60 nm, celles-ci sont en très bon accord avec les résultats d'un modèle hydrodynamique. Au dessous de 60 nm, la comparaison avec un modèle RPA s'impose. Le plasmon intra-bande dispersif est observé jusqu'à 45 nm, largeur en dessous de laquelle les spectres Raman sont dominés par des excitations localisées qui nécessitent une analyse ultérieure pour en déterminer clairement leur nature. Nous montrons à l'aide du modèle RPA que nous avons atteint la limite quantique pour un fil de largeur 55 nm. Une gamme étroite de fils dont les largeurs sont comprises entre 55 nm à 45 nm permet donc l'étude de gaz strictement unidimensionnel.<br />Nous avons cherché à déterminer la contribution de la forte illumination dans les conclusions précédentes. Nous avons utilisé pour cela la spectroscopie de magnéto-transmission infra-rouge qui ne modifie pas les conditions d'équilibre du gaz d'électrons. Une largeur critique de 130 nm a été extraite, en dessous de laquelle nous n'avons plus aucun signe de la présence d'électrons libres. La comparaison des mesures Raman et infra-rouge a permis l'établissement et la validation d'un modèle microscopique du potentiel de confinement présent dans les fils. Enfin nous avons fabriqués des échantillons de géométries plus complexes. L'observation et l'analyse par diffusion Raman des plasmons dans ces fils a montré que nous pouvions contrôler la géométrie du potentiel confinant les électrons et a mis en évidence des effets nouveaux tels que le repliement et le confinement de plasmons unidimensionnels.