Academic literature on the topic 'Transport quantique électronique'

Les détecteurs infrarouge à puits quantiques photovoltaïques sont des capteurs intéressants pour des applications où les flux de photons à détecter sont faibles, car ils permettent de s'affranchir du courant d'obscurité. Le premier chapitre de cette thèse présente l'évolution des ces détecteurs au travers d'un comparatif des caractéristiques, permettant de comprendre pourquoi le détecteur à cascade quantique (QCD) est un dispositif intéressant pour la détection infrarouge. Le second chapitre propose un modèle de transport électronique valable proche de l'équilibre thermodynamique, dans lequel nous considérons que seules les interactions électrons/phonons peuvent transférer les électrons d'une sous-bande d'énergie vers une autre. L'introduction de quasi-niveaux de Fermi, associés à chaque période du dispositif permet de donner une approche globale plus simple de ces transferts. On montre ainsi que la densité de courant, qui se déduit de manière générale en comptabilisant les échanges électroniques entre les sous-bandes, est analogue à celle d'une diode Schottky, permettant de donner une expression simple de la résistivité, qui est alors interprétée comme une relation d'Einstein. Le modèle est ensuite confronté aux résultats expérimentaux. Enfin, un dernier chapitre présente un échantillon QCD détectant à 5.7 µm, qui est dans un premier temps caractérisé optiquement et électriquement. Le modèle précédent lui est appliqué afin donner une première approche de l'influence des différents paramètres. Cette comparaison permet de mettre en évidence quelques limites liées aux hypothèses simplificatrices du modèle.

Ce travail porte sur l'étude du transport électronique dans le graphène, en particulier à fort champs magnétiques, en régime d'Effet Hall Quantique. Il a pu être mis en évidence les mécanismes de transport électronique à énergie finie dans ce régime, les lois d'universalité de l'effet Hall quantique observées dans les gaz bidimensionnels d'électrons ont été retrouvées. Nous avons aussi pu observer pour la première fois la transition entre un régime de transport avec interactions et un sans interaction électronique grâce aux effets d'écrantage de la grille permettant de doper le graphène. Cette transition permet de confirmer une loi de saut à pas variable donnée par Efros-Shklovskii comme mécanisme de transport dominant dans l'effet Hall quantique.

Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche atomique de carbone et représente un sujet majeur de la physique de la matière condensée. Le graphène possède de nombreuses propriétés remarquables : structure électronique décrite par une equation de Dirac sans masse, forte mobilité électronique, effet Hall quantique anormal, résistance ,rigidité et conductivité thermique élevée. Cette these concerne la structure électronique et le transport dans le graphène. Nous considérons en particulier le cas des bicouches tournées de graphène. Ces systèmes ont été découverts en particulier dans le graphène produit sur le carbure de silicium et présentent des propriétés originales par rapport aux bicouches dans l' empilement AB qui existe par exemple dans le graphite. Nous analysons au moyen d'une théorie perturbative et aussi par des approches numériques la densité d'états dans ces systèmes.Nous montrons que la densité d'états présente des oscillations avec la même période que celle du Moiré produit par ces bicouches. Nous analysons aussi le rôle des défauts sur les propriétés de transport en particulier dans le cas ou les défauts sont répartis uniquement sur une des deux couches. Ici aussi notre approche combine théorie perturbative du couplage interplans et approches purement numérique en liaisons fortes. Nous considérons aussi le role joué par les adatomes comme l'hydrogène par exemple. Nous analysons la modification de la densité d'états induite autour de l'adatome et les variations correspondantes de densité de charge et de potentiel électrostatique. Ces systèmes tendent à produire des états resonants près de l'énergie de Dirac qui dependent beaucoup aussi de la position top ou hollow de l' adsorbat. Pour des orbitales de type "s" la resonance est plus marquée si l'adatome est en position hollow. Nous montrons que l'image par experience STM (microscopie à effet tunnel) depend beaucoup de la distance entre l'adsorbat et la pointe du STM. Dans un régime de champ proche la résonance de l'adsorbat peut même apparaître comme un creux dans le signal dI/dV du STM.

Les récents progrès en matière de fréquences d’excitation au-delà du gigahertz offrent aujourd’hui la possibilité de sonder la réponse interne d’un système quantique. Résoudre le fonctionnement en temps des futurs composants de la nanoélectronique apparaît aujourd’hui comme le défi majeur de la prochaine avancée en matière de modélisation/simulation. C’est le contexte de cette thèse, qui se concentre sur trois axes. Une première partie sur la méthodologie. Nous avons proposé une technique adaptée à la simulation du transport dépendant du temps dans les nanosystèmes interagissant avec un rayonnement lumineux, en nous appuyant sur l’état de l’art des méthodologies de statistiques quantiques avec une attention particulière au formalisme des fonctions de Green hors-équilibre. La deuxième partie de la thèse est consacrée au développement et à la mise en œuvre d’algorithmes efficaces pour simuler des fonctionnement résolus en temps de nanodispositifs optoélectroniques quantiques. Enfin, cette nouvelle méthode et les algorithmes développés nous ont permis d’étudier les processus de transfert de porteurs dans des nanojonctions moléculaires. Cette étude nous a conduit à l’élucidation d’effets physiques insoupçonnés et à des propositions expérimentales captivantes pour la détermination de caractéristiques quantiques internes de ces nanodispositifs. Ce travail nous fournit un outil précieux pour la simulation du transport quantique ultrarapide. Il donne également un aperçu de la pertinence de la dynamique transitoire dans la compréhension du fonctionnement des nanodispositifs optoélectroniques résolu en temps, et ouvre la voie vers la conception de l’optoélectronique ultrarapide
Recent advances in excitation frequencies beyond gigahertz now offer the ability to probe the internal response of a quantum system. Time dependence in future nanoelectronics has arisen as the major challenge of next advances in device modeling and simulations. Oscillating gate voltages, time-dependent bias but also applied illumination pulses, all are examples of key issues in quantum transport simulations which require novel approaches as well as efficient numerical methods. This is the context of this thesis, which focuses on three areas. A first part concerns the methodology. We proposed a suitable technique for the simulation of time-dependent transport in nano-systems interacting with lightradiation, relying on the state of the art in quantum statistical methodologies, with a special attention to the formalism of non-equilibrium Green’s functions. The second part of the thesis is devoted to the development and implementationof efficient algorithms to simulate time-resolved quantities for quantum optoelectronic nanodevices. Finally, this new method and the developed algorithms have enabled us to investigate carrier transfer processes in molecular nanojunctions. This study led us to the elucidation of unsuspected physical effects and captivating experimental proposals for the determination of internal quantum characteristics of these nanodevices. This work provides us with a valuable toolfor ultrafast quantum transport simulation. It also gives indeed an insight on the relevance of transient dynamics in the understanding of time-resolved optoelectronic nanodevice operations and open avenues towards the design of futureultrafast optoelectronics

Les récents progrès en matière de fréquences d’excitation au-delà du gigahertz offrent aujourd’hui la possibilité de sonder la réponse interne d’un système quantique. Résoudre le fonctionnement en temps des futurs composants de la nanoélectronique apparaît aujourd’hui comme le défi majeur de la prochaine avancée en matière de modélisation/simulation. C’est le contexte de cette thèse, qui se concentre sur trois axes. Une première partie sur la méthodologie. Nous avons proposé une technique adaptée à la simulation du transport dépendant du temps dans les nanosystèmes interagissant avec un rayonnement lumineux, en nous appuyant sur l’état de l’art des méthodologies de statistiques quantiques avec une attention particulière au formalisme des fonctions de Green hors-équilibre. La deuxième partie de la thèse est consacrée au développement et à la mise en œuvre d’algorithmes efficaces pour simuler des fonctionnement résolus en temps de nanodispositifs optoélectroniques quantiques. Enfin, cette nouvelle méthode et les algorithmes développés nous ont permis d’étudier les processus de transfert de porteurs dans des nanojonctions moléculaires. Cette étude nous a conduit à l’élucidation d’effets physiques insoupçonnés et à des propositions expérimentales captivantes pour la détermination de caractéristiques quantiques internes de ces nanodispositifs. Ce travail nous fournit un outil précieux pour la simulation du transport quantique ultrarapide. Il donne également un aperçu de la pertinence de la dynamique transitoire dans la compréhension du fonctionnement des nanodispositifs optoélectroniques résolu en temps, et ouvre la voie vers la conception de l’optoélectronique ultrarapide
Recent advances in excitation frequencies beyond gigahertz now offer the ability to probe the internal response of a quantum system. Time dependence in future nanoelectronics has arisen as the major challenge of next advances in device modeling and simulations. Oscillating gate voltages, time-dependent bias but also applied illumination pulses, all are examples of key issues in quantum transport simulations which require novel approaches as well as efficient numerical methods. This is the context of this thesis, which focuses on three areas. A first part concerns the methodology. We proposed a suitable technique for the simulation of time-dependent transport in nano-systems interacting with lightradiation, relying on the state of the art in quantum statistical methodologies, with a special attention to the formalism of non-equilibrium Green’s functions. The second part of the thesis is devoted to the development and implementationof efficient algorithms to simulate time-resolved quantities for quantum optoelectronic nanodevices. Finally, this new method and the developed algorithms have enabled us to investigate carrier transfer processes in molecular nanojunctions. This study led us to the elucidation of unsuspected physical effects and captivating experimental proposals for the determination of internal quantum characteristics of these nanodevices. This work provides us with a valuable toolfor ultrafast quantum transport simulation. It also gives indeed an insight on the relevance of transient dynamics in the understanding of time-resolved optoelectronic nanodevice operations and open avenues towards the design of futureultrafast optoelectronics

La réduction de la taille des composants électroniques a entrainé des effets quantiques inévitables, à l’image du confinement quantique et l’effet tunnel. Nous avons essayé de mettre à profit ces phénomènes, pour l’étude du transport quantique à travers des oxydes ultras minces. En effet nous avons commencé par l’étude du transport quantique sur des structures 1D par la résolution des équations de Schrödinger-Poisson couplées. Un oxyde parfait n’existe pas et tenir compte des pièges est indispensable, c’est pourquoi nous les avons modélisé par un puit de potentiel, au niveau d’un oxyde et à l’interface entre deux diélectriques. La modélisation 1D ne suffit plus pour expliquer tous les phénomènes quantiques, c’est pourquoi l’étude et la modélisation des inclusions nanométriques, présentant un confinement bidimensionnel pour les fils et tridimensionnel pour les boites quantiques est primordiale. Pour ce faire, nous avons résolu les équations de Schrödinger en 2D et en 3D. L’étude du phénomène du transport à travers des boites quantiques, passe par la résolution des équations de Schrödinger-Poisson 3D. Nous nous sommes confrontés principalement à deux problèmes, techniquement très difficile à résoudre, qui se résume sur l’énorme temps de calcul machine et l’espace mémoire pris pour la résolution des problèmes à valeurs propres. L’approximation qui a été réalisée est de calculer l’équation de Poisson 3D en fixant à chaque fois le niveau de Fermi
[Reducing the size of electronic components has resulted in inevitable quantum effects such as quantum confinement and tunnelling affect. We have used these phenomena to the study of quantum transport through ultra-thin oxides. We began by studying the quantum transport for 1D structures by solving the coup led Schrodinger-Poisson equations. Oxide ls not perfect and lake account of trap is essential. The trap is modelled by a thin quantum well in the matrix or in interface between two oxides. One dimensions! modelling ls not enough to explain all quantum phenomena, therefore the study and modelling of nanoscale inclusions having a two-dimensions confinement for quantum wire and three dimensional confinement quantum dot, ls essential. To this end we solved the Schr6dinger equations in 20 and 30. The study of the phenomenon of transport through quantum dots, requires solving equations of Schrodinger-Poisson 3D. We face two main problems, technically very difficult to solve, which are the enormous computation al lime and machine memory space taken for solving eigenvalue problems. Some approximations have been made to solve this problem. ]

Cette thèse étudie le transport électronique dans le graphène, le cristal monoatomique de carbone où les électrons se déplacent comme si ils étaient sans masse. Les expériences faites dans cette thèse peuvent être classifiées en deux régimes, un régime macroscopique où la longueur de cohérence de phase est plus petite que la taille de l'échantillon et un régime mésoscopique où les paquets d'onde des électrons interfèrent. Dans le régime macroscopique, on a réalisé des expériences qui ont permis d'élucider la nature des impuretés dans le graphène. Des mesures de magnétorésistance ont permis de déduire les temps de collision caractéristiques dans le graphène. La dépendance en fonction du vecteur d'onde de Fermi permet de conclure que les principaux centres diffuseurs du graphène sont des impuretés neutres, fortes et de courte portée avec pour possibles candidats les ad-atomes ou les lacunes. Dans le régime mésoscopique, nous nous sommes intéressés aux fluctuations universelles de la conductance, la signature la plus importante du transport cohérent. Les fonctions de corrélation de ces fluctuations ont permis de mettre en évidence des fortes différences entre la physique de la monocouche de graphène et la bicouche de graphène. On a aussi observé que l'amplitude des fluctuations en fonction de l'énergie varie avec le vecteur d'onde de Fermi. Cette variation est similaire dans les deux systèmes. Finalement, on a étudié l'effet de proximité avec un supraconducteur, qui tient également compte du transport cohérent. Par des méthodes de recuit à fort courant, un supercourant a été induit de façon progressive dans le graphène
This thesis studies some aspects of quantum electronic transport in graphene, the two dimensional crystal made of carbon where conduction electrons behave as massless relativistic particles. Experiments done in this thesis can be classified in two different regimes, a macroscopic regime where there is no quantum interference effects between electrons (the phase coherence length is smaller than the size of the sample) and a mesoscopic regime, where electron's wave packets interfere. In the macroscopic regime, we have made experiments that led us conclude the nature of impurities that limit transport in graphene. With magnetoresistance measurements, we could deduce the characteristic scattering times in graphene. Their dependence on the Fermi wavelength let us conclude that the main scatterers in graphene are neutral strong short range impurities possibly ad-atoms or vacancies. In the mesoscopic regime, we were interested in universal conductance fluctuations, the most important signature of coherent transport in a system. Correlation functions of the conductance fluctuations show us the strong differences between the physics of the monolayer and the bilayer graphene. We found that the amplitude of fluctuations vary in a similar way in both systems as a function of the Fermi vector. Finally, we studied the superconducting proximity effect with a superconductor, which is also signature of coherent transport. Using a current annealing technique, we induced a supercurrent progressively in graphene

Cette thèse se place dans le domaine du transport quantique cohérent, et vise à développer un formalisme adapté à la modélisation d'expériences réalisées dans les canaux de bord de l'effet Hall quantique entier. Ce formalisme repose sur les analogies entre ces expériences et celles de l'optique quantique photonique.Le manuscrit commence par une introduction au contexte de la thèse qui propose un tour d'horizon des enjeux, des outils et des succès de l'optique quantique électronique.La première partie du travail traite des propriétés de cohérence mono-électronique et introduit la notion clé d'excès de cohérence à un électron. Plusieurs représentations sont proposées et analysées, permettant d’accéder aux informations physiques contenues dans la fonction de cohérence. Les états émis par des sources à électrons utilisées par plusieurs groupes expérimentaux sont ensuite analysés sous cet angle.Les effets à deux électrons sont au cœur de la seconde partie. L'excès de cohérence à deux électrons est défini en prenant en compte les effets de corrélation classique et d'échange quantique. Les conséquences de l'anti-symétrie fermionique sont également analysées en détail, montrant une redondance dans les informations encodées dans la cohérence à deux électrons. Enfin, un degré de cohérence normalisé est introduit pour étudier plus directement les effets d'indiscernabilité et d'anti-bunching.La mesure et la manipulation de la cohérence électronique par interférométrie sont abordées dans la troisième partie. Dans un premier temps, le lien entre les fonctions de cohérence électronique et les quantités directement accessibles dans les expériences est établi, ce qui justifie le besoin de protocoles plus complexes. La mesure d'excès de cohérence à un électron est alors envisagée par interférométrie Mach-Zehnder à un électron, puis par interférométrie Hong-Ou-Mandel à deux électrons, ce qui suggère une interprétation plus simple d'un protocole de tomographie électronique établi en 2011. Un protocole de mesure de l'excès de cohérence à deux électrons est ensuite proposé par interférométrie de type Franson, étendant les idées relatives à la mesure de cohérence à un électron par un interféromètre de Mach-Zehnder. Enfin, une vision complémentaire est apportée sur l'interféromètre de Franson, en utilisant celui-ci cette fois pour générer une cohérence à deux électrons non locale
This thesis deals with coherent quantum transport and aims at developing a formalism well suited to model experiments conducted in edge channels of integer quantum Hall effect. This formalism relies on analogies between these experiments and photon quantum optics ones.The manuscript begins with an introduction to the context of the thesis and an overview of issues, tools and successes of electron quantum optics.The first part of the work addresses the question of single electron coherence properties and introduces the key notion of excess of single electron coherence. Several representations are proposed and analyzed, giving access to physical informations encoded in the coherence function. The quantum states emitted by experimentally demonstrated electron sources are then analyzed under this perspective.Two electron effects are at the heart of the second part. The excess of two-electron coherence is defined taking into account both classical correction and quantum exchange effects. A detailed analysis of consequences of fermionic anti-symmetry is provided and shows that information encoded into two-electron coherence is redundant. Last, a normalized degree of coherence is introduced in view of a more direct study of indistinguishability and anti-bunching.The issue of measuring and manipulating electronic coherence by interferometry is addressed in the third part. First the relation between electronic coherence functions and directly measurable quantities in experiments is established, justifying the need for more involved measurement protocols. The measure of the excess of single electron coherence is envisioned through single electron Mach-Zehnder interferometry and two-electron Hong-Ou-Mandel interferometry, suggesting a simpler interpretation of a tomography protocol established in 2011. A protocol for measuring the excess of two-electron coherence is then proposed by Franson-like interferometry, which generalizes the ideas used for measuring single electron coherence with a Mach-Zehnder interferometer. Last, a complementary point of view on Franson interferometer is given, by using it to generate a non-local two-electron coherence

La limite de Shockley-Queisser représente le compromis entre la non-exploitation des photons d’énergie insuffisante et les pertes par thermalisation des porteurs photo-générés à hautes énergies. Il existe des dispositifs photovoltaïques permettant de dépasser cette limite, basés sur les propriétés quantiques des porteurs et de leur transport. La compréhension des phénomènes physiques quantiques est essentiel pour l’élaboration de nouvelles solutions. L’objectif de cette thèse consiste à réaliser une étude numérique des effets liés au confinement et aux collisions dans des cellules solaires. Dans une première partie consacrée au modèle théorique implémenté, nous détaillons le formalisme des fonctions de Green hors-équilibre et son utilisation dans le cadre de notre étude. Nous proposons un modèle numérique permettant de prendre en compte les interactions electron-phonon et électron-photon au moyen de self-energies. Les deux parties suivantes présentent l'application du formalisme dans le cas de deux dispositifs. Le premier système est une cellule à base de puits quantiques. Le calcul de la densité d’états locale a permis de mettre en évidence le phénomène de minibandes survenant dans les systèmes périodiques quantiques. Le second système est une cellule à base de matériaux pérovskites hybrides. Déjà utilisé pour la conception de cellules tandem, il subsiste toutefois des incertitudes concernant les mécanismes de transport des porteurs dans de tels matériaux hybrides. Notre travail a permis d’apporter des éléments de compréhension sur les effets de l’interaction électron-phonon dans ce matériau, notamment sur les caractéristiques optiques et électriques du dispositif
The Shockley-Queisser limit represents the compromise between the non-exploitation of low energy photons andthe thermalization losses of high-energy photo-generated carriers. There are devices that can overcome this limit, based on the quantum properties and transport of carriers. The understanding of the physical phenomena occurring at these nanoscales is a key component to the development of new solutions. The goal of this thesis is to conduct a numerical study of the effects of confinement and scattering in solar cells. In a first part dedicated to the theoretical model, we detail the non-equilibrium Green’s functions formalism and its use in the context of our study. We give details on the numerical model of electron-phonon and electron-photon scatterings with interaction self-energies. The two following parts show examples of application of the Green’s function formalism in the case of two devices. The first system is a multi quantum wells solar cell. Calculations of the local density of states permit to highlight the phenomenon of minibands occurring in such quantum periodic systems. The second system is a solar cell based on perovskite hydrid materials. Already used for the design of tandem cells, there is still uncertainties concerning carrier transport mechanisms in such organic-inorganic materials. Our work has provided information about the effects of electron-phonon scattering in such materials, in particular on the opti-cal and electrical characteristics of the device

Dans cette thèse, j'adresse le sujet fascinant et attirant du transport de charge électrique et de chaleur dans les systèmes Hall quantiques, qui sont parmi l'exemple le plus célèbre des phases topologiques de la matière, en présence de potentiels électriques dépendantes du temps. L'effet Hall se produit dans des systèmes électroniques bidimensionnels dans la limite de forts champs magnétiques perpendiculaires. Le cachet de systèmes de Hall quantiques est l'apparition d'états de bord métalliques unidimensionnels sur les frontières du système.La longueur de cohérence assurée par la protection topologique garantit d’avoir accès à la nature ondulatoire des électrons. Ces propriétés ont inspiré un nouveau domaine de la recherche, connu comme la l'optique quantique électronique. Une source d’électrons individuels peut être réalisée en s'appliquant à un système de Hall quantique impulsions Lorentzian. En considérant l'application d'un train périodique d'impulsions Lorentzian à un système Hall quantique, j'examine la densité de charge d'un état composé par beaucoup de levitons dans le régime de Hall quantique fractionnaire, constatant ainsi qu'il est réarrangé dans une configuration réguliere de sommets et des vallées. Alors, j'analyse les propriétés de transport de chaleur des levitons dans les systèmes Hall quantiques, qui représente un nouveau point de vue sur l'optique quantique électronique, étendant et généralisant les résultats obtenus dans le transport de charge
In this thesis, I address the intriguing and appealing topic of charge and heat transport in quantum Hall systems, which are among the most famous example of topological phases of matter, in presence of external time-dependent voltages. Quantum Hall effect occurs in two-dimensional electron systems in the limit of strong perpendicular magnetic fields. The hallmark of quantum Hall systems is the emergence of one-dimensional metallic edge states on the boundary. Along these edge states particles propagate with a definite direction. The coherence length ensured by topological protection guarantees to access wave-like nature of electrons. This properties inspired a new field of research, known as electron quantum optic. Single-electron source can be realized by applying to a quantum Hall system a periodic train of Lorentzian-shaped pulses.Plateaus of the Hall resistance appear also at fractional values of the resistance quantum. The physical explanation of fractional quantum Hall effect cannot neglect the correlation between electrons and this phase of matter is inherently strongly-correlated. By considering the application of a periodic train of Lorentzian pulses to a quantum Hall system, I investigate the charge density of a state composed by many levitons in the fractional quantum Hall regime, thus finding that it is re-arranged into a regular pattern of peaks and valleys, reminiscent of Wigner crystallization in strongly-interacting electronic systems. Then, I analyze heat transport properties of levitons in quantum Hall systems, which represent a new point of view on electron quantum optics, extending and generalizing the results obtained in the charge domain

Après une brève description de la technologie des jonctions moléculaires, suivie d'une introduction à la physique de base du transport des électrons, plusieurs sections passent en revue des résultats sélectionnés sur le transport dépendant du spin, la plasmonique, les interférences quantiques, le transport thermique et le bruit électronique dans les dispositifs de l’électronique moléculaire.