Spectroscopie d'admittance à n-corps

Many-body admittance spectroscopy

• Auteur / Autrice : Alessandro Chessari
• Direction : Yann-Michel Niquet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique Théorique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Modélisation et Exploration des Matériaux

Mots clés

Mots clés libres

Simulation quantique

Problème à n-corps hors équilibre

Matière quantique

Quantum simulation

Many-body systems out of equilibrium

Quantum matter

Résumé

L'effort de réaliser des ordinateurs quantiques avec des boîtes quantiques engendra aussi la réalisation de simulateurs quantiques à petite échelle. Ces simulateurs visent à manipuler le spin et la charge d'électrons confinés dans des boîtes quantiques et ils sont des tentatives prometteuses pour la simulation de systèmes de fermions fortement corrélés. Par exemple, le modèle bidimensionnel de Fermi-Hubbard, le système fortement corrélé par excellence, n'est toujours pas résolu et sa simulation pourrait par exemple dévoiler le mécanisme de la supraconductivité haute-Tc. Dans ces expériences, la possibilité, encore inexplorée, de sonder la dynamique de charge cohérente peut se révéler un ingrédient clé pour extraire des informations de ces simulateurs. L'objectif de cette thèse est de développer une description fondamentale et explorer les applications expérimentales de la spectroscopie d'admittance à plusieurs corps. L'idée est de penser ces simulateurs quantiques comme des éléments de circuit dans des architectures hybrides, réunissant boîtes quantiques et résonateurs supraconducteurs. Ces résonateurs sondent l'admittance du simulateur, à savoir sa réponse dynamique de charge aux variations temporelles d'une tension de grille. Ce projet vise à développer des outils théoriques avancées de physique quantique à N-corps pour calculer l'admittance de systèmes fortement corrélés et isolés, en présence d'un environnement électromagnétique dissipatif (équation de Lindblad et théories des champs de Keldysh hors équilibre). Nous dériverons l'admittance des simulateurs de Fermi-Hubbard de taille finie sous différents protocoles et géométries. Particulière attention sera dédiée à l'exploration des limites fondamentales et expérimentales pour résoudre des états à plusieurs corps en spectroscopie dispersive et sonder leur dynamique de charge.

The effort to build quantum computers with quantum dots will also lead to the realization of small-scale quantum simulators. These simulators aim to manipulate the spin and charge of single electrons confined in quantum dots and they are promising attempts for the simulation of strongly correlated fermion systems. For example, the two-dimensional Fermi-Hubbard model, the most paradigmatic strongly correlated system, is still not solved and its simulation could unveil the mechanism behind high-Tc superconductivity. In these experiments, the ability, still unexplored, to directly address coherent charge dynamics may reveal a key ingredient to extract significant information from these simulators. The objective of this PhD thesis is to develop a fundamental description and explore the experimental applications of many-body admittance spectroscopy. The idea is to think of these quantum simulators as circuit elements embedded in hybrid architectures, bringing together quantum dots and superconducting resonators. These resonators probe the admittance of the simulator, namely its dynamical charge response to real-time variations of a gate voltage. This project aims to develop advanced theoretical tools of many-body quantum systems to calculate the admittance of strongly correlated and isolated systems, in the presence of a dissipative electromagnetic environment (Lindblad equation and Keldysh field theories out of equilibrium). We will derive the admittance of finite size Fermi-Hubbard simulators under different protocols and geometries. Particular attention will be devoted to the exploration of the fundamental and experimental limits to resolve states with several bodies in dispersive spectroscopy and to probe their charge dynamics.