La théorie des matériaux électroniques contrôlés par cavité

Theory of cavity-controlled electronic materials

• Auteur / Autrice : Danh Phuong Nguyen
• Direction : Cristiano Ciuti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/12/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Matériaux et phénomènes quantiques (Paris ; 2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Pérola Milman
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olesia Dmytruk, Jelena Klinovaja
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Guido Pupillo, Marco Polini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transport quantique

Effet Hall quantique

Matériaux topologiques

Mots clés libres

Matériaux topologiques

Effet Hall quantique anormal

Effet Hall quantique de spin

Nombre de Chern

Matériaux de van der Waals

Matériaux TMD à double couche tordue

Intrication entre lumière et matière

Modèle SSH

Marqueur topologique

Transport quantique

Topological materials

Quantum anomalous Hall effect

Quantum spin Hall effect

Chern number

Van der Waals materials

Twisted bilayer TMD materials

Light-Matter entanglement

SSH model

Topological marker

Quantum transport

Résumé

Cette thèse se concentre sur l'étude des interactions fortes entre la lumière et la matière dans deux types distincts de matériaux topologiques : les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) à double couche tordue en deux dimensions et la chaîne polymère de polyacétylène unidimensionnelle, ou modèle de Su-Schrieffer-Heeger (SSH), explorant à la fois les scénarios à particule unique et à plusieurs corps. Pour les matériaux TMD bidimensionnels, nous explorons comment les champs électromagnétiques quantiques des cavités peuvent manipuler leurs propriétés topologiques. Nous analysons spécifiquement les effets du couplage électron-photon résonant et non résonant, mettant en avant les capacités uniques des super-réseaux de moiré van der Waals. Ces matériaux sont remarquables pour leur capacité à présenter l'effet Hall quantique de spin et leur bande passante électronique dans la gamme des térahertz, qui correspond aux fréquences des photons en cavité. Nous introduisons un nombre topologique de Chern électron-photon pour décrire les minibandes d'énergie modifiées par la cavité, applicable à divers degrés d'hybridation et d'intrication électron-photon. Nous démontrons que les modes de cavité non résonants peuvent renormaliser les phases topologiques électroniques existantes, tandis que la résonance avec les transitions de minibandes électroniques peut conduire à l'émergence de nouveaux et plus élevés nombres de Chern électron-photon. Pour les chaînes SSH unidimensionnelles, nous étudions les propriétés topologiques et de transport à plusieurs corps lorsqu'elles sont couplées au champ quantique de cavité. Nous caractérisons la topologie du système à nombreux électrons intégré dans la cavité en utilisant un marqueur Zak électron-photon généralisé. En utilisant le formalisme des fonctions de Green et des techniques de diagonalisation exacte pour un nombre fini d'électrons, nous déterminons la conductance quantique. Nos résultats révèlent comment la quantification du transport est influencée par les champs de vide de la cavité dans les chaînes de taille finie et affectée par le désordre électronique. De plus, nous démontrons que l'intrication électron-photon modifie considérablement les résultats prédits par rapport à la théorie du champ moyen, qui a tendance à sous-estimer les effets modifiés par les interactions de cavité. Enfin, nous démontrons que la résonance lumière-matière peut influencer remarquablement le courant dans le régime non linéaire.

This thesis focuses on investigating strong interactions between light and matter in two distinct types of topological materials: two-dimensional twisted bilayer transition metal dichacogenides (TMDs) and one-dimensional polyacetylene polymer chain, or Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model, exploring both single particle and many-body scenarios. For two-dimensional TMD materials, we explore how cavity quantum electromagnetic fields can manipulate their topological properties. Specifically, we analyze the effects of resonant and off-resonant electron-photon coupling, emphasizing the unique capabilities of van der Waals moiré superlattices. These materials are notable for their ability to exhibit the quantum spin Hall effect and their terahertz-range electronic bandwidth, which aligns with cavity photon frequencies. We introduce a single-body electron-photon topological Chern number to describe the cavity-dressed energy minibands, applicable across varying degrees of electron-photon hybridization and entanglement. We demonstrate that off-resonant cavity modes can renormalize existing electronic topological phases, while resonance with electronic miniband transitions can lead to the emergence of new and higher electron-photon Chern numbers. For one-dimensional SSH chains, we investigate the many-body topological and transport properties when coupled to a cavity mode's quantum field. We characterize the topology of the cavity-embedded many-electron system using a generalized electron-photon Zak marker. Using the Green's function formalism and exact diagonalization techniques for a finite number of electrons, we determine the quantum conductance. Our findings reveal how transport quantization is influenced by cavity vacuum fields in finite-size chains and affected by electronic disorder. Furthermore, we demonstrate that electron-photon entanglement significantly alters the predicted outcomes compared to mean-field theory, which tends to underestimate the effects modified by cavity interactions. Finally, we demonstrate that light-matter resonance can remarkedly influence the current in the non-linear regime.