Dynamique à fréquence finie de conducteurs quantiques corrélés

Finite frequency dynamics in correlated quantum conductors

• Auteur / Autrice : Jonas Müller
• Direction : Patrice Roche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2020
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service de physique de l'état condensé (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Jury : Président / Présidente : Hélène Bouchiat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franck Balestro, Pascal Degiovanni, Sophie Djordjevic, Max Hofheinz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Franck Balestro, Pascal Degiovanni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Points quantiques

Électronique quantique

Systèmes mésoscopiques

Mots clés libres

Physique mésoscopique

Blocage de Coulomb dynamique (DCB)

2DEG

Bruit quantique

Mesoscopic physics

Dynamic Coulomb blockade (DCB)

2DEG

Quantum noise

Résumé

Dans ce travail, nous présentons les nouvelles méthodes expérimentales que nous avons développées afin d’étudier la physique fondamentale du transport électronique à travers des conducteurs mésoscopiques en se basant sur la mesure des fluctuations électriques. Dans la première partie de la thèse, nous présentons une nouvelle conception d’un détecteur quantique sans rétroaction pour mesurer séparément la densité spectrale de puissance des fluctuations de courant pour les fréquences positives (bruit d’absorption) et négatives (bruit d’émission). Nous extrayons le bruit d’absorption et d’émission d’une mesure de la puissance échangée entre un conducteur quantique et un résonateur linéaire à fréquence finie, testé pour une jonction SIS couplée à un filtre à cavité. Nos résultats soulignent la signification physique de la formule de Kubo qui, couplée à une description quantique du dispositif de mesure, fournit une version quantique du théorème de Joule. Dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons la conception et la construction d’une plate-forme expérimentale pour les mesures RF dépendantes du temps dans les champs magnétiques élevés. L’objectif est de mesurer efficacement un conducteur quantique qui donne lieu à une contre-action de détection sur ses propriétés de transport, connue sous le nom de Blocage de Coulomb Dynamique (DCB). Nous souhaitons étudier de tels effets dans le cas élémentaire d’un canal de conduction unique, avec une transmission arbitraire, interagissant avec un mode électromagnétique unique. Le principal défi consiste à concevoir des résonateurs RF à haute impédance utilisés comme transformateur d’impédance pour coupler efficacement le canal unique à haute impédance (25,8 kΩ) à l’équipement de détection RF désadapté de 50 Ω. Pour notre installation, nous avons d’abord conçu et testé un résonateur tolérant aux champs magnétiques, une bobine métallique plane, qui fournit une impédance caractéristique de 1 kΩ à une fréquence de résonance de 5,4 GHz. En utilisant deux résonateurs en série, il est possible d’obtenir une impédance de détection efficace de 27 kΩ qui assure un couplage suffisant à un seul canal. Avec toutes les méthodologies développées dans cette thèse, il est maintenant possible de réaliser une série remarquable d’expériences diverses dans un futur proche.

In this work, we present the new experimental methods that we have developed in order to investigate the fundamental physics of electronic transport across mesoscopic conductors based on the measurement of electrical fluctuations. In the first part of the thesis we present a novel design of a back-action free quantum detector to separately measure the power spectral density of current fluctuations for positive (absorption noise) and negative (emission noise) frequencies. We extract the absorption and emission noise from a measurement of the power exchanged between a quantum conductor and a finite frequency linear resonator, tested for a SIS junction coupled to a cavity filter. Our results stress the physical meaning of the Kubo formula which, coupled to a quantum description of the measurement setup, provides a quantum version of Joule’s theorem. In the second part of the thesis, we present the design and construction of an experimental platform for time dependant RF-measurements in high magnetic fields. The goal is to efficiently measure a quantum conductor that gives rise to a detection back-action on its transport properties, known as Dynamical Coulomb Blockade (DCB). We wish to investigate such effects in the elementary case of a single conduction channel, with arbitrary transmission, interacting with a single electromagnetic mode. The main challenge is the engineering of high impedance RF resonators used as impedance transformer to efficiently couple the high impedance single channel (25.8 kΩ) to the mismatched 50 Ω RF-detection equipment. For our setup we have firstly designed and tested a magnetic field tolerant resonator, a planar metallic coil, that provides a characteristic impedance of 1 kΩ at a resonance frequency of 5.4 GHz. Using two resonators in series, an effective detection impedance of 27 kΩ is achievable that provides sufficient coupling to a single channel. With all the methodologies developed in this thesis, it is now possible to perform an amazing series of various experiments in the near future.