Les sujets de thèses

Les progrès des technologies optoélectroniques nécessitent le contrôle indépendant de la propagation de la phase et de l’énergie lumineuse. Ceci est possible grâce aux métamatériaux hyperboliques, un cas extrême d’anisotropie optique.



Les systèmes moléculaires auto-organisés offrent un moyen de réaliser de tels milieux, car ils peuvent incorporer divers mésogènes p-conjugués axiaux susceptibles de former des structures très fortement anisotropes.



Notre objectif est de développer un tel système incorporant des entités fluorescentes afin de combiner une dispersion hyperbolique avec une émission de lumière ou un gain optique. Au-delà de la compensation des pertes intrinsèques aux métamatériaux, nous visons la réalisation de dispositifs électroluminescents innovants associant la source dans le métamatériau lui même, là où la plupart des réalisations actuelles impliquent des combinaisons complexes à l’échelle nanométrique de différents milieux émissifs et biréfringents.



Les travaux de thèse comprendront les caractérisations structurales et optiques des matériaux obtenus, l'analyse de leurs propriétés de métamatériaux hyperboliques, et leur intégration dans des composants optiques modèles. La conception, synthèse et caractérisation chimique des matériaux sera effectuée par un autre laboratoire dans le cadre d'une collaboration.

Nous concevons et fabriquons des circuits supraconducteurs dont le comportement est déterminé par les lois de la mécanique quantique. Pour un stage avant la thèse, nous proposons de réaliser des expériences visant à la manipulation cohérente du spin d’une quasiparticule unique.



Dans la pratique, nous utilisons des nanofils semiconducteurs couverts d’une coque supraconductrice. Cette coque est retirée sur une petite section du fil, ce qui se traduit par un spectre discret d’états quantiques dans la section découverte. Nous avons récemment montré que, du fait de l’interaction spin-orbite dans le semiconducteur, ce spectre présente une structure fine analogue à celle du spectre des atomes [1]. Pendant le stage, la manipulation quantique du spin d’une quasiparticule unique sera réalisée en utilisant les techniques de l’électrodynamique quantique en circuits. Ces expériences donneront accès au temps de vie et au temps de cohérence des états.



Nous prévoyons aussi de tester la prédiction récente d’une transition de phase sous champ magnétique dans les nanofils couverts d’une coque supraconductrice [2]. Une phase topologique comportant des fermions de Majorana devrait être accessible, et révélée par la spectroscopie du circuit.



Nous cherchons une étudiante ou un étudiant fortement motivé ayant une bonne compréhension de la mécanique quantique. Elle/Il sera intégrée dans un groupe de recherche très actif en électronique quantique, et se familiarisera avec des concepts avancés de mécanique quantique et de supraconductivité. Il/Elle apprendra aussi plusieurs techniques expériementales: les mesures à basse température, bas bruit, dans le domaine des micro-ondes, ainsi que la nanofabrication.



[1] L. Tosi et al., “Spin-Orbit Splitting of Andreev States Revealed by Microwave Spectroscopy”, Phys. Rev. X 9, 011010 (2019).

[2] R. Lutchyn et al., “Topological superconductivity in full shell proximitized nanowires” arXiv :1809.05512 (2018).

Le groupe Quantronique mène des recherches en physique fondamentale des solides à très basse température, et notamment en électronique quantique. L'un des objectifs actuels de notre équipe est d'élucider le dernier ingrédient manquant de la supraconductivité mésoscopique: la jonction à saut de phase quantique.



Une jonction à saut de phase quantique (QPSJ) constituée d'un fil supraconducteur désordonné très mince devrait se comporter comme un condensateur non dissipatif non linéaire et constituer un dual quantique de la jonction Josephson bien connue et largement utilisée. La disponibilité de QPSJ ouvrirait un large éventail de nouvelles possibilités pour l'ingénierie des circuits quantiques.



En fabriquant des résonateurs à nanofils afin de réaliser des QPSJ, nous avons mis en évidence un fort couplage du résonateur aux systèmes à deux niveaux chargés environnants, un ordre de grandeur plus grand que ce qui est attendu d'un couplage dipôle / champ électrique standard. Nous avons montré que ce phénomène est présent dans plusieurs supraconducteurs qui ont en commun leur forte inductance (et un fort désordre). Nous avons récemment proposé [leSueur18] un nouveau mécanisme universel pour expliquer ce couplage fort, à travers les fluctuations mésoscopiques de l'inductance cinétique. L'objectif général de la thèse détaillée ci-dessous est de caractériser complétement ce mécanisme.

Dans certains états quantique de la matière, le courant peut être transporté par des porteurs de charges ayant une fraction e* de la charge élémentaire. C'est notamment le cas de l'Effet Hall quantique fractionnaire (EHQF), une phase quantique topologique ordonnée, qui se produit pour des systèmes électroniques bidimensionnels à basse température et soumis à un fort champ magnétique perpendiculaire. Quand le nombre de quantum de flux en unité h/e est une fraction du nombre d'électrons, le courant se propage le long des bords de l'échantillon sans dissipation. Les porteurs de charges impliqués dans le transport portent une charge fractionnaire e/3, e/5, e/7, etc., … suivant les conditions. Ces excitations fractionnaires sont prédites obéir à une statistique quantique différente des fermions ou des bosons, mais appelée anyonique. Cependant l’observation de statistique anyonique reste à faire. Nous proposons une méthode originale basée sur la manipulation d’anyons par des micro-ondes comme récemment démontrés par le groupe (Science 2019). L’idée est de réaliser une source d’anyon unique à la demande analogue à la source de lévitons développée par le groupe pour des électrons (Nature 2013, Nature 2014). Combinant 2 sources permettrait de réaliser des interférences quantique à deux anyons et de révéler leur statistique anyonique.

La thèse demandera la mise au point de cette source anyonique pour des anyons de charge e/3 et e/5 basée sur la génération de pulses micro-ondes Lorentziens et sa caractérisation par des mesures de bruit quantique électronique ainsi que par détection de charges uniques



1] A Josephson relation for fractionally charged anyons, M. Kapfer, P. Roulleau, I. Farrer, D. Ritchie and D. C. Glattli ( SCIENCE (2019) https://doi.org/10.1126/science.aau3539 )



[2] Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons, J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau and D. C. Glattli, NATURE 502, 659-663 (2013)



[3] Quantum tomography of an electron, T. Jullien, P. Roulleau, B. Roche, A. Cavanna, Y. Jin and D. C. Glattli, Nature 514, 603–607 ( 2014)

Défiant notre intuition classique, l’effet tunnel a fasciné les physiciens pendant des décennies. Très vite après sa découverte, se posa la question de combien de temps passent les particules qui "tunnellent" sous la barrière classiquement interdite. Malgré son conté intuitif, cette question est mal posée du point de vues des observables quantiques, et n’admet donc pas de réponse unique ce donnant lieu a de multiples définitions correspondantes à différentes expériences de pensée.



Suivant un proposition de Büttiker et collaborateurs [1], nous proposons d’étudier expérimentalement cette question du point de vue d’une observable bien définie: en mesurant le spectre des fluctuations temporelles du nombre des particules se trouvant sous la barrière de potentiel classiquement interdite. L’idée consiste à exploiter des gaz bidimensionnels d’électrons ou des barrières de potentiel sont générées en appliquant un champ électrostatique à des grilles couplées capacitivement. Les même grilles peuvent aussi être utilisées pour collecter les charges miroir qui se développent en réponse aux fluctuations de densité présentes sous la barrière de potentiel et qui sont générées par les électrons qui "tunnellent". Malgré la simplicité conceptuelle, implémenter cette expérience suppose un défi technique, car cela demande de mesurer un petit signal radiofréquence émis par une source de très haute impédance de sortie dans un environnement cryogénique (sub-Kelvin). Afin de répondre à ce défi, nous nous appuierons sur l’expertise du groupe dans le design microondes, ainsi que dans les techniques de mesures RF de très bas bruit dans des environnements cryogéniques, notamment en implémentant des techniques récemment développées pour s’adapter à des hautes impédances [2] nous permettant ainsi de collecter efficacement le signal dans une chaine de détection RF.



Dans un deuxième temps, nous proposons de conduire des expériences similaires dans des conditions expérimentales où l’interaction électron-électron modifie fortement le transport à travers la barrière de potentiel. Notamment, une transition de phase quantique métal/isolant est pilotée par cette interaction lorsqu’un fil 1D présente une impureté, donnant lieu à une dynamique de liquide quantique fortement corrélé [3] (Liquide de Tomonaga-Lutinger). Des études théoriques récentes [4] ont mis en avant que le temps de résidence sous la barrière joue un rôle proéminent dans cette physique, nous souhaitons donc tester ces prédictions pendant la deuxième partie de la thèse.



L’étudiant participera au design microonde des échantillons, à leur fabrication en salle blanche, ainsi qu’à leur mesure en exploitant des techniques de mesure ultra bas bruit dans le proche DC et dans les radiofréquences. Il apprendra aussi les techniques cryogéniques sub-Kelvin en travaillant notamment avec un réfrigérateur à dilution.



Références :

[1] Pedersen, van Langen, and Büttiker, Phys. Rev. B 57, 1838 (1998)

[2] Rolland et al., https://arxiv.org/abs/1810.06217

[3] Anthore et al., Phys. Rev. X 8, 031075 (2018)

[4] Altimiras, Portier and Joyez, Phys. Rev. X 6, 031002 (2016)