Soutenance de thèse de Matteo ACCIAI

Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : MATIERE CONDENSEE et NANOSCIENCES
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Transport quantique,Physique mésoscopique,Intéractions électroniques,Topologie,
Keywords
Quantum transport,Mesoscopic physics,Electronic interactions,Topology,
Titre de thèse
Dynamique d'électrons uniques dans les systèmes topologiquement protégés
Single-electron dynamics in topologically protected systems
Date
Vendredi 20 Décembre 2019 à 9:00
Adresse
Dipartimento di Fisica, Università di Genova, Via Dodecaneso 33, 16146 Genova (Italie)
Aula Magna
Jury
Directeur de these Mme Maura SASSETTI Dipartimento di Fisica, Università di Genova
Examinateur M. Laurent RAYMOND Aix-Marseille Université
Examinateur M. Riccardo FERRANDO Dipartimento di Fisica, Università di Genova
CoDirecteur de these M. Thierry MARTIN Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Roberto RAIMONDI Dipartimento di Matematica e Fisica, Università Roma Tre
Examinateur M. Ulf GENNSER C2N - Joint research unit (UMR 9001) CNRS / Université Paris-Sud - Université Paris-Saclay

Résumé de la thèse

L'optique quantique électronique est un domaine de recherche en pleine croissance qui vise à préparer, contrôler et manipuler de manière cohérente des états à électrons uniques dans des systèmes mésoscopiques en matière condensée, de la même manière que les photons peuvent être manipulés dans le domaine de l'optique quantique conventionnelle. Des sources d'électrons uniques, récemment développées, peuvent être utilisées afin de générer des excitations à quelques électrons dans des conducteurs balistiques, où la propagation n'est pas affectée par la rétrodiffusion et la cohérence de phase est préservée. Parmi les nombreux problèmes liés à l'optique quantique électronique, une question particulièrement importante est celle de comprendre les effets des intéractions électroniques sur l'évolution des excitations produites par les sources d'électrons. Cela sera le sujet principal de cette thèse, dans laquelle on étudie les propriétés des excitations créées dans un conducteur quantique grâce à des impulsions de tension. Tout d'abord on considère une couple de canaux conducteurs en présence d'intéractions répulsives, en distinguant deux scénarios. Le premier est rélatif au cas de canaux co-propageants, tels que l'on les trouve dans les états de bord de l'effet Hall quantique entier. Le deuxième concerne une couple de canaux contre-propageants qui émergent dans l'effet Hall quantique de spin. Dans les deux cas, les intéractions sont telles que les excitations initiellement introduites dans le système à cause de l'impulsion de tension se séparent en des composants ayant une fraction de la charge originaire. Ces excitations "fractionnées" sont étudiées soit dans le domaine temporel soit dans la représentation énérgie, ce qui permet d'obtenir des informations rélatives au contenu de couples particule-trou. On utilise une approche analytique, valable pour des impulsions de tension quelconques, basée sur la théorie du liquide de Luttinger et la technique de la bosonisation. En plus, en considérant des excitations générées par des impulsions de forme lorentzienne, connues comme Lévitons, on démontre que le bruit dû à la présence d'un centre de diffusion est minimisé, indépendemment des intéractions. Ensuite, on adresse des systèmes où les corrélations électroniques sont tout à fait differentes, c'est-à-dire des supraconducteurs. En particulier, on étudie les propriétés de transport d'une jonction tunnel supraconductrice amenée hors de l'équilibre par des impulsions de tension périodiques de forme arbitraire et on démontre que les Lévitons minimisent le bruit à basse fréquence dans ce système aussi.

Thesis resume

Electron quantum optics is a fast growing research field which aims at preparing, controlling and coherently manipulating single- to few-electrons states in mesoscopic condensed matter systems, in the same way as single photons can be manipulated in conventional quantum optics. Recently developed coherent single-electron sources are used to generate few-electron excitations in ballistic conductors, where their propagation is not affected by backscattering and phase coherence is preserved. Among several interesting problems related to electron quantum optics, an important question is whether and how interaction effects can influence the evolution of single-electron excitations generated by coherent sources. This will be the main topic of this thesis, where we investigate the properties of excitations created by applying a voltage pulse to a quantum conductor. The thesis can be conceptually divided into two main blocks, depending on which kind of interactions are taken into account. At first we consider a couple of conduction channels coupled by repulsive electron-electron interactions, focusing on two scenarios. Initially, co-propagating edge channels in the integer quantum Hall effect are considered, followed by counterpropagating channels emerging at the edge of a quantum spin Hall insulators. In both systems, electronic interactions induce a fractionalization process causing the initially generated excitations to split into smaller ones, carrying only a fraction of the injected charge. These fractionalized excitations are carefully analyzed both in the time domain as well as in energy and momentum space, which allows to access their particle-hole content. The analysis is based on an analytic approach relying on Luttinger liquid theory and bosonization techniques and applies to any voltage drive. Moreover, specializing to the relevant case of excitations created by quantized Lorentzian voltage pulses, known as Levitons, we show that the noise generated when they are partitioned at a scatterer is minimal, regardless of interactions. Further on, a completely different kind of interaction is addressed, namely superconducting correlations. In particular, we investigate the transport properties of a superconducting tunnel junction under the effect of an arbitrary periodic drive, showing that Levitons do minimize the low frequency noise in this kind of device too.