Transport de charge et chaleur dans les systèmes topologiques

Charge and heat transport in topological systems

• Auteur / Autrice : Flavio Ronetti
• Direction : Maura Sassetti, Thierry Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux, Physique, Chimie et Nanosciences
• Date : Soutenance le 17/12/2018
• Etablissement(s) : Aix-Marseille en cotutelle avec Università degli studi (Gênes, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de physique théorique (CPT) (Marseille ; Toulon)
• Jury : Président / Présidente : Ludger Wirtz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thomas Schmidt, Fabio Cavaliere, Laurent Raymond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optique quantique électronique

Champs magnétiques

Hall quantique, Effet

Mots clés libres

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Résumé

Dans cette thèse, j'adresse le sujet fascinant et attirant du transport de charge électrique et de chaleur dans les systèmes Hall quantiques, qui sont parmi l'exemple le plus célèbre des phases topologiques de la matière, en présence de potentiels électriques dépendantes du temps. L'effet Hall se produit dans des systèmes électroniques bidimensionnels dans la limite de forts champs magnétiques perpendiculaires. Le cachet de systèmes de Hall quantiques est l'apparition d'états de bord métalliques unidimensionnels sur les frontières du système.La longueur de cohérence assurée par la protection topologique garantit d’avoir accès à la nature ondulatoire des électrons. Ces propriétés ont inspiré un nouveau domaine de la recherche, connu comme la l'optique quantique électronique. Une source d’électrons individuels peut être réalisée en s'appliquant à un système de Hall quantique impulsions Lorentzian. En considérant l'application d'un train périodique d'impulsions Lorentzian à un système Hall quantique, j'examine la densité de charge d'un état composé par beaucoup de levitons dans le régime de Hall quantique fractionnaire, constatant ainsi qu'il est réarrangé dans une configuration réguliere de sommets et des vallées. Alors, j'analyse les propriétés de transport de chaleur des levitons dans les systèmes Hall quantiques, qui représente un nouveau point de vue sur l'optique quantique électronique, étendant et généralisant les résultats obtenus dans le transport de charge.

In this thesis, I address the intriguing and appealing topic of charge and heat transport in quantum Hall systems, which are among the most famous example of topological phases of matter, in presence of external time-dependent voltages. Quantum Hall effect occurs in two-dimensional electron systems in the limit of strong perpendicular magnetic fields. The hallmark of quantum Hall systems is the emergence of one-dimensional metallic edge states on the boundary. Along these edge states particles propagate with a definite direction. The coherence length ensured by topological protection guarantees to access wave-like nature of electrons. This properties inspired a new field of research, known as electron quantum optic. Single-electron source can be realized by applying to a quantum Hall system a periodic train of Lorentzian-shaped pulses.Plateaus of the Hall resistance appear also at fractional values of the resistance quantum. The physical explanation of fractional quantum Hall effect cannot neglect the correlation between electrons and this phase of matter is inherently strongly-correlated. By considering the application of a periodic train of Lorentzian pulses to a quantum Hall system, I investigate the charge density of a state composed by many levitons in the fractional quantum Hall regime, thus finding that it is re-arranged into a regular pattern of peaks and valleys, reminiscent of Wigner crystallization in strongly-interacting electronic systems. Then, I analyze heat transport properties of levitons in quantum Hall systems, which represent a new point of view on electron quantum optics, extending and generalizing the results obtained in the charge domain.