Transport à travers un canal quantique élémentaire : action du circuit, quantification de la charge et limite quantique du courant de chaleur

Transport across an elementary quantum channel : action of the circuit, charge quantization and quantum limit of heat flow

• Auteur / Autrice : Sebastien Jezouin
• Direction : Frédéric Pierre, Anne Anthore
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 27/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de photonique et de nanostructures
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Silvano De Franceschi, Thierry Martin, Robert Whitney, Patrice Roche, Gwendal Feve

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes mésoscopiques

Fluctuations (physique)

Mots clés libres

Physique mésoscopique

Blocage de coulomb

Liquide de tomonaga luttinger

Quantification de la charge

Quantum de conductance thermique

Contact ponctuel quantique

Tomanaga-Luttinger liquids

Thermal conductance quantum

Résumé

Ce mémoire de thèse présente trois expériences portant sur le transport quantique dans les conducteurs cohérents à l’échelle élémentaire du canal de conduction. La première étudie comment le transport d’électricité dans un canal est affecté lorsque le canal est inséré dans un circuit modélisé par une impédance linéaire. Nous avons observé empiriquement une loi d’échelle à laquelle obéit la conductance du canal et nous avons démontré expérimentalement une analogie entre ce système et les liquides de Tomonaga-Luttinger. La deuxième s’intéresse à la nature de la charge d’un îlot métallique couplé électriquement au monde extérieur par deux canaux de conduction. Dans le régime de couplage faible, il est bien connu que cette charge est quantifiée en unités de la charge de l’électron. Ici, nous avons caractérisé la transition vers le régime de couplage fort, où la quantification de la charge est détruite par les fluctuations quantiques. La troisième concerne le transport de chaleur dans les conducteurs cohérents. Grâce à un système de mesure de bruit implémenté au cours de ce travail de thèse, nous avons pu, pour la première fois, mesurer quantitativement la conductance thermique d’un unique canal de conduction électronique, que nous avons trouvée en accord avec le quantum de conductance thermique à une résolution de quelques pourcents.

This thesis presents three experiments focusing on quantum transport in coherent conductors at the elementary scale of the conduction channel. The first one studies how electrical transport in a channel is modified when the channel is embedded in a linear circuit characterized by an impedance. We observed empirically that the channel conductance obeys a scaling law and we demonstrated experimentally a mapping of this system to the so-Called Tomonaga-Luttinger liquids. The second one is interested in the charge of a metallic island electrically coupled to the outside world through two conduction channels. In the weak coupling regime, it is well-Known that the island charge is quantized in units of the electron charge. Here we characterized the crossover to the strong coupling regime where charge quantization is destroyed by quantum fluctuations. The third one is about heat transport in coherent conductors. Thanks to a noise measurement setup implemented during this thesis, we were able to measure quantitatively for the first time the thermal conductance of a single electronic channel, which we found in agreement with the thermal conductance quantum to a few % accuracy.