Etude des fluctuations quantiques du courant aux fréquences optiques dans une jonction tunnel

Quantum current fluctuations in a tunnel junction at optical frequency

• Auteur / Autrice : Pierre Février
• Direction : Marco Aprili
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/02/2017
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des solides (Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Jacques Greffet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marco Aprili, Jean-Jacques Greffet, Adeline Crépieux, Alexandre Bouhelier, Marc Sanquer, Julien Gabelli, Fabien Portier
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Adeline Crépieux, Alexandre Bouhelier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bruit électronique

Bruit de grenaille

Photons -- Corrélation

Systèmes mésoscopiques

Effet tunnel

Mots clés libres

Jonction tunnel

Quantique

Photon

Optique

Bruit

Fluctuations

Tunnel junction

Quantum

Photon

Optics

Noise

Fluctuations

Résumé

A forte polarisation (V >1V), une jonction tunnel planaire peut émettre de la lumière dans le domaine optique à des fréquences f<eV/h ~ 10¹⁴Hz. Cette émission résulte du rayonnement de plasmons-polariton de surface, générés par le bruit de grenaille dans la jonction. La densité spectrale de rayonnement dP/df est alors directement reliée à la densité spectrale des fluctuations du courant SII via une simple impédance de rayonnement: dP/df = R × SII. De la même manière, la densité spectrale de rayonnement du corps noir est reliée aux fluctuations thermiques du courant dans un conducteur ohmique via le théorème fluctuation-dissipation (TFD). Il semble alors naturel de décrire le rayonnement d'une jonction tunnel par la relation fluctuation-dissipation, dérivée par Scalapino et Rogovin [Annals of Physics 1974], généralisant le TFD aux conducteurs hors équilibre (V≠0). Nous avons étudié cette relation dans un régime où la jonction tunnel est fortement hors équilibre, lorsque eV ~1eV est de l'ordre de la hauteur de la barrière tunnel. La RFD est vérifiée à fréquence nulle (MHz), mais est violée de manière flagrante à fréquence finie (10¹⁴Hz). Nous attribuons cette violation à la non linéarité intrinsèque de la jonction. Nous dérivons une nouvelle expression pour la puissance émise, à partir de l'approche quantique de Landaueur-Büttiker du transport électronique. L'émission est alors interprétée en terme de recombinaison électron-trou dans les électrodes et rend compte d'une accumulation de charges dans la barrière. L'efficacité du couplage électron-photon est évaluée quantitativement via l'impédance de rayonnement de la jonction. Ce travail de thèse s'adresse à deux communautés, celle de la physique mésoscopique étudiant les mécanismes du transport électronique, et celle des opticiens voulant comprendre et optimiser l'émission de lumière dans ces systèmes.

In a strongly voltaged biased tunnel junction, optical photon emission occurs at frequencies below the threshold f<eV/h ~ 10¹⁴Hz, mediated by the shot-noise-generated surface plasmon-polaritons. The spectral power density dP/df depends only on the current fluctuation spectral density SII and a radiation impedance: dP/df = R × SII . This expression is analogous to the relation between the power spectral density of a black body and thermal current fluctuations in a ohmic conductor, via the fluctuation-dissipation theorem (FDT). Therefore, it seems natural that the optical power emitted by a tunnel junction be given by the fluctuation-dissipation relation (FDR) derived by Scalapino and Rogovin [Annals of Physics 1974], which extends the FDT to out-of-equilibrium conductors (V≠0). When the junction is far-from-equilibrium, i.e. when eV ~1eV is of the order of magnitude of the tunnel barrier height, our experiments show that the FDR holds at zero frequency (MHz), but breaks down at finite frequency (10¹⁴Hz). We attribute the discrepancy between the FDR and our measurements to the junction's intrinsic current-voltage non-linearity. We derive a new expression for emitted optical power, based on the Landauer-Büttiker formalism for quantum electronic transport. Light emission from the junction can then be interpreted as due to electron-hole recombination processes in the electrodes. This expression also account for charge accumulation in the tunnel barrier. The resulting estimate of the junction's radiation impedance is a measure of the electron-photon coupling e_ciency in our device. This work should be of interest to both mesoscopic physicists studying electronic transport mechanisms, and those of optics community studying light emission in microstructures.