Thèse soutenue

Time-dependent Thermoelectric Transport in Quantum Systems
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Auteur / Autrice : Adel Kara Slimane
Direction : Geneviève FleuryAlexander Smogunov
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique
Date : Soutenance le 03/12/2021
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)
référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-….)
Jury : Président / Présidente : Dietmar Weinmann
Examinateurs / Examinatrices : Fabienne Michelini, Giuliano Benenti, Anne Anthore
Rapporteurs / Rapporteuses : Fabienne Michelini, Giuliano Benenti

Résumé

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Ce dernier siècle est marqué par l’évolution alarmante du phénomène de réchauffement climatique. À son cœur repose la continuelle augmentation des besoins en énergie « utile » pour nos activités. Ainsi, une grande pression repose sur la recherche pour réaliser des usines de production électriques plus efficaces et plus respectueuses de l’environnement. Dans ce contexte, la thermoélectricité offre une façon différente et prometteuse de réaliser des machines thermiques et réfrigérateurs. Les dispositifs se basant sur cet effet sont cependant peu démocratisés car ils souffrent d’un rendement relativement bas par rapport aux machines traditionnelles. Durant ces dernières années, de nouvelles pistes prometteuses ont été explorées pour améliorer la performance des dispositifs thermoélectriques, en s’appuyant notamment sur une meilleure compréhension du comportement quantique de la matière et sur les progrès technologiques en miniaturisation. Une de ces pistes propose de s’intéresser aux (nano)dispositifs mis hors-équilibre, en particulier dans un régime dépendant du temps. Bien que la grande majorité des études en thermoélectricité ont été motivées par des arguments uniquement valides dans le régime stationnaire proche de l’équilibre, des développements théoriques récents prédisent une forte amélioration du rendement dans le régime quantique dépendant du temps, loin de l’équilibre. D’autre part, les progrès en nanoélectronique haute fréquence permettent aujourd’hui de mesurer le transport quantique à de courtes échelles temporelles et spatiales, remettant en question les lois classiques de la thermodynamique.L’objectif de cette thèse est d’explorer les opportunités offertes par le transport thermoélectrique dynamique à l’échelle mésoscopique. Pour ce faire, nous construisons dans un premier temps une approche invariante de jauge décrivant (outre le transport de charge déjà traité dans la littérature) le transport d’énergie dépendant du temps dans un système quantique ouvert sous l’influence d’un champ électromagnétique dynamique. Cette approche est basée sur une description semi-classique où le champ électromagnétique est décrit par les équations (classiques) de Maxwell, tandis que les électrons sont décrits par l’équation (quantique) de Schrödinger. Puis, nous utilisons ce formalisme pour étendre tkwant, une bibliothèque de simulation quantique de systèmes modélisés en liaisons-fortes, au transport énergétique : cette bibliothèque étendue permet alors de simuler la thermoélectricité, avec dépendance temporelle, dans de larges systèmes mésoscopiques, au-delà des modèles jouets. On illustre ensuite la puissance de cette bibliothèque en investiguant l’effet Peltier dynamique dans un « Contact Ponctuel Quantique » bidimensionnel. Enfin, nous nous intéressons au très étudié modèle jouet du niveau résonnant pour avoir une meilleure compréhension fondamentale des phénomènes en jeux : une étude numérique et semi-analytique nous permet d’apporter un nouvel éclairage sur le potentiel de la thermoélectricité dépendante du temps dans les points quantiques.