Transfert de chaleur et fluctuations de température dans un dispositif entretenu à base d'une boîte quantique

Heat flow and temperature fluctuations in a driven quantum dot device

• Auteur / Autrice : Johannes Höfer
• Direction : Clemens Winkelmann, Hervé Courtois
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/03/2023
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Néel

Mots clés

Mots clés libres

Dissipation

Transfert de chaleur

Boîte quantique

Dissipation

Heat flow

Quantum dot

Résumé

Malgré les développements rapides dans l'électronique quantique cohérente au cours des dernières années, les connaissances sur la dissipation dans ces systèmes sont encore limitées. Pourtant, une propre gestion de chaleur est indispensable pour la préservation d'une cohérence quantique. Ceci est principalement dû à la lenteur des techniques de thermométrie disponible actuellement, ainsi qu'aux problèmes à obtenir de l'information locale sur la température, en particulier dans des semi-conducteurs nanoscopiques. Au-delà des motivations applicatives, le transfert de chaleur et la dissipation sont liées aux questions physiques fondamentales dans la domaine croissante de la thermodynamique quantique, reliée à la compréhension de la chaleur dans le régime quantique. Ce projet de thèse s'intéresse aux aspects thermodynamiques/énergétiques du transfert dans des jonctions à base des boîtes quantiques, formé dans des nanofils en InAs. Appuyant sur l'expérience des mesures de transfert de chaleur dans des tels dispositifs, nous allons explorer le transfert de chaleur dans le régime Kondo de la boîte quantique. En outre, notre groupe a récemment établi une technique de thermométrie à résolution sous-μs, convenant à l'étude des circuits quantiques. Cela a récemment permis la détection de la signature calorimétrique des glissements de phases dans un RF-SQUID hystérétique. Dans le projet de thèse présent, nous allons baisser le niveau de bruit d'une ordre de grandeur par l'implémentation d'un amplificateur paramétrique Josephson. Nous utiliserons ensuite la thermométrie RF pour détecter la chaleur dégagée par les événements individuels de tunnelisation des électrons. Le passage d'un seul électron par effet tunnel à la demande sera réalisé en pilotant en courant alternatif le potentiel chimique d'une boîte quantique couplé par effet tunnel à un absorbeur métallique. Le passage de la dynamique de l'effet tunnel adiabatique à celle du quench sera étudié également. La compréhension de la dissipation du transfert de chaleur fournira des informations importantes sur les processus quantiques impliqués, et aidera à comprendre comment atténuer et évacuer la chaleur dans les dispositifs quantiques.

In spite of rapid developments in coherent quantum electronics in recent years, little is known about dissipation in these systems. However, proper heat management is key for preserving quantum coherence. This is mainly due to the slowness of most currently available thermometry techniques, together with the difficulties in obtaining local information on temperature, in particular in nanoscale semiconductors. Beyond applicative motivations, heat transport and dissipation are linked to fundamental physical questions in the growing field of quantum thermodynamics, related to the understanding of heat in the quantum world. This thesis project is concerned with the thermodynamic/energetic aspects of transport in a quantum dot junction, formed in InAs nanowires. Building on our experience in the measurement of heat transport in such devices, we will explore heat transport in the Kondo regime of the quantum dot. Further, our group has recently set up a μs-resolution thermometry technique, suited to the study of quantum circuits. This has recently allowed the detection of the calorimetric signature of individual quantum phase slips in a hysteretic RF-SQUID. Within the present PhD project, we will implement a Josephson parametric amplifier in the setup, which will allow lowering the calorimeter noise floor by about an order of magnitude. We will then use the RF-thermometry to detect the heat released by individual electron-tunneling events. On-demand single-electron tunneling will be achieved by ac-driving the chemical potential of a quantum dot tunnel coupled to a metallic absorber. We will investigate the crossover from adiabatic to quench tunneling dynamics. The understanding of heat transport and dissipation will provide important insights into the quantum processes involved, and help understand how to mitigate and drain heat in quantum devices.