Thèses sur le sujet « Keldysha »

L'augmentation du débit des télécommunications nécessite la réalisation de circuits intégrés utilisant des transistors dont les fréquences de coupure sont de plus en plus élevées. L'évaluation des performances intrinsèques de ces composants fonctionnant aujourd'hui jusqu'à plusieurs centaines de GHz pose un gros problème d'instrumentation. Les capacités des analyseurs de réseaux généralement utilisés pour ces caractérisations sont en effet dépassées.

Les méthodes d'échantillonnage électro-optique basées sur l'utilisation d'un laser impulsionnel femtoseconde constituent une méthode alternative de caractérisation hyperfréquences. Ces mesures dont la résolution temporelle peut être inférieure à la picoseconde permettent d'étudier la réponse en fréquence de composants intégrés jusqu'à plus de 1 THz.

La méthode d'échantillonnage ultra-rapide que nous proposons est basée sur un effet d'électroabsorption présent dans de nombreux semiconducteurs massifs : l'effet Franz-Keldysh. Cet effet nous permet de sonder optiquement des impulsions électriques ultra-brèves se propageant sur une ligne de transmission déposée sur Arséniure de Gallium (GaAs). Ces impulsions sont également générées par voie optique grâce à un matériau photoconducteur ultra-rapide : le GaAs épitaxié à basse température.

La démonstration expérimentale de cette méthode de caractérisation est tout d'abord effectuée en utilisant les propriétés intrinsèques du substrat semiconducteur. Dans un deuxième temps, des améliorations technologiques sont apportées au dispositif expérimental pour permettre une généralisation de la technique de mesure à tout type de substrat. Pour cela, nous avons en particulier mis au point une technique de « lift-off » épitaxial permettant le report des matériaux nécessaires à la mesure sur un circuit ayant déjà subi les étapes technologiques. Ces différentes méthodes de mesure sont ensuite appliquées à la caractérisation de lignes de transmission ou de composants passifs THz. Elles ont permis entre autre la mise en évidence du phénomène de couplage par onde de choc électromagnétique entre deux lignes de transmission coplanaires, ou l'évaluation des paramètres S d'un filtre réjecteur de Bragg intégré sur substrat de quartz jusqu'à 1,2 THz. Enfin, la possibilité d'étudier un transistor bipolaire à hétérojonction à doigt d'émetteur submicronique par cette technique de mesure est envisagée.

Estudamos transporte quântico dependente de spin em sistemas de ponto e de poço quântico acoplados a contatos magnéticos. O primeiro passo do nosso estudo foi a dedução de fórmulas originais para a corrente e para o ruído em sistemas com tunelamento dependente de spin, através do formalismo de funções de Green de mão equilíbrio. As equações deduzidas reproduzem casos limites da literatura - em particular as fórmulas de Landauer-Buttiker. Posteriormente aplicamos essas fórmulas para estudar três sistemas distintos: (1) ponto quântico acoplado a contatos ferromagnéticos, (2) um ponto quântico acoplado a múltiplos terminais ferromagnéticos, e (3) um poço quântico acoplado a terminais de semicondutor magnético diluído (DMS). No sistema (1) consideramos os alinhamentos paralelo (P) e anti-paralelo (AP) entre as magnetizações dos terminais. Nesse sistema levamos em conta interação de Coulomb e espalhamento de spin no ponto quântico. Com as fórmulas para corrente e ruído deduzidas aqui, encontramos, por exemplo, que a interação de Coulomb, combinada com o magnetismo dos eletrodos, leva a um bloqueio de Coulomb dependente de spin. Esse efeito por sua vez leva a uma polarização da corrente que pode ser modulada (intensidade e sinal) através de uma tens~ao externa. Também encontramos que o espalhamento de spin leva a comportamentos contrastantes entre corrente e ruído. Enquanto a corrente na configuração AP aumenta com a taxa de espalhamento de spin R, o ruído nessa mesma configuração é suprimido para uma certa faixa de valores de R. Um outro efeito interessante que observamos foi a possibilidade de se suprimir o ruído térmico através de uma tensão de porta. Para o sistema (2) mostramos que é possível injetar corrente ↑-polarizada no ponto quântico e coletar simultaneamente correntes ↑ e ↓ polarizadas em terminais diferentes. Além disso, a corrente ao passar do reservatório emissor para um dos reservatórios coletores tem a sua polarização intensificada. Portanto esse sistema pode operar como inversor e amplificador de polarização de corrente. Por último, analisamos os efeitos de terminais DMS e quantização de Landau (na presença de um campo magnético externo) sobre a corrente e o ruído no sistema (3). Encontramos que o efeito Zeeman gigante nos terminais DMS, gerado pela interação de troca s-d, leva a uma polarização da corrente. Em particular, para uma certa faixa de tensão o efeito Zeeman gigante resulta na completa supressão de uma dada componente de spin no transporte. Com isso é possível controlar a polarização da corrente através de uma tensão externa. Também observamos oscilações na corrente, no ruído e no fator de Fano como função do campo magnético.
We study spin dependent quantum transport in quantum dots and quantum well devices attached to magnetic leads. We first derive general formulas, including electron-electron interaction and spin flip, for both current and noise, using the no equilibrium Green function technique (Keldysh). From our equations we regain limiting cases in the literature - in particular the Landauer-Buttiker formula when we neglect electron-electron interaction. We apply these formulas to study three distinct systems: (1) a quantum dot attached to two ferromagnetic leads, (2) a quantum dot linked to many ferromagnetic leads, and (3) a quantum well coupled to dilute magnetic semiconductor (DMS) terminals. In the first system we consider both parallel (P) and anti-parallel (AP) ferromagnetic alignments of the leads. Coulomb interaction and spin flip scattering are also taken into account. With the formulas for the current and the noise derived here, we find, for instance, that the Coulomb interaction, combined with the magnetism of the electrodes, gives rise to a spin-dependent Coulomb blockade. This effect allows the control (intensity and sign) of the current polarization via the bias voltage. We also observe that spin flip scattering yields contrasting behavior between current and shot noise. While the current in the AP configuration increases with the spin flip, the shot noise becomes suppressed for a range of spin flip rates. Another interesting finding is the possibility to suppress the thermal noise via a gate voltage. For the dot coupled to three magnetic leads, we show that it is possible to inject current ↑-polarized into the dot from the FM emitter, detect simultaneously ↑ and ↓ - polarized currents at distinct collectors. In addition, we find that the current has its polarization amplified when going from the emitter to one of the collectors. Therefore we have a device that operates as both as current polarization inverter and amplifier. Finally, we analyze the effects of DMS leads and Landau quantization on the current and noise of system (3). We and that the giant Zeeman effect in the DMS leads, due to the it s-d exchange interaction, gives rise to a spin polarized current, and for a particular bias voltage range, full suppression of one spin component. This gives rise to the possibility of tuning the current polarization via the bias voltage. We also observe oscillations in the current, the noise and the Fano factor as a function of the magnetic field.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior
Num regime balísstico e a baixas temperaturas, a fórmula de Landauer dá uma boa descrição do transporte de calor para nano-junções conectadas a dois fios acoplados a banhos térmicos a temperaturas diferentes. Partindo de um modelo microscópico e utilizando o método de funções de Green fora do equilíbrio, é possível obter uma expressão para a condutância térmica na nano-junção equivalente a fórmula de Landauer. Esta depende dos valores das constantes de acoplamento entre os modos de fônons da região central e dos fios, além do gradiente térmico. A expressão para a condutância térmica é muito semelhante aquela obtida para a condutância elétrica. Neste trabalho nós apresentamos o método para o cálculo de grandezas relacionadas ao transporte térmico em um regime onde não há um gradiente de temperatura entre os reservatórios mas o sistema sofre uma perturbação dependente do tempo. Ou seja, com uma escolha conveniente da parametrização temporal dos termos de acoplamento entre a nano-junção e os fios é possível produzir uma corrente de calor na ausência de diferença de temperaturas entre os banhos térmicos aos quais os fios estão conectados. Esse fenômeno caracteriza o bombeamento de calor. Desenvolvemos uma teoria de transporte dependente do tempo para descrever o bombeamento. A teoria é geral, dependendo da densidade de fônons, da intensidade e dependência temporal do acoplamento. Aplicamos o formalismo em um modelo simples demonstrando que, em princípio, é possível bombear calor através de uma cadeia linear de átomos sem gradiente térmico.
In the ballistic regime at low temperatures, the Landauer formula gives a good description of heat transport for nano-junctions, connected to two leads attached to thermal baths at different temperatures. Starting from a microscopic model and using the nonequilibrium Green functions, it is possible to obtain an expression for the thermal conductance in nano-junction equivalent to the Landauer formula. The latest depends on the values of the coupling constants between phonon modes of the central region and leads, as well as on the thermal gradient. The expression for the thermal conductance is quite similar to that obtained for electrical conductance. In this work we present the method to calculate quantities related to heat transport in a regime where there is no temperature gradient between the reservoirs, but the system suffers a time depending perturbation. That is, with a convenient choice of time parameterization of the coupling terms between the nano-junction and the leads it is possible to produce a heat flow in the absence of a temperature difference between the thermal baths connected to the leads. This phenomenon characterizes the heat pumping. We develop a time-dependent transport theory to describe the pumping. The theory is general, depending on the phonons density, intensity and time dependence of the coupling. We apply the formalism in a simple model showing that in principle it is possible to pump heat through a linear chain of atoms without thermal gradient.

Cette thèse est consacrée à l'étude du transport dans les nanostructures quantiques unidimensionnelles dont les propriétés sont étudiées en s'appuyant notamment sur le bruit en excès à fréquence finie. La première partie de cette thèse est consacrée à l'étude du transport à travers une impureté dans un liquide de Luttinger couplée à un environnement électromagnétique arbitraire. L'impureté est traitée dans deux limites de transmission, la limite tunnel et la limite de faible rétrodiffusion. Les calculs sont menés dans le formalisme de Keldysh. Nous montrons ainsi que la théorie du blocage de Coulomb dynamique, établie pour une jonction tunnel couplée à un environnement à l'équilibre, demeure valide pour un liquide de Luttinger. Par ailleurs nous montrons que les relations de fluctuation dissipation reliant le bruit à fréquence finie au courant reste valide. Nous montrons que cette théorie peut également s'étendre dans la limite de faible rétrodiffusion à condition de prendre en compte la rétro-action du liquide électronique sur l'environnement. En revanche, les relations de fluctuation dissipation ne sont respectées que pour le bruit en émission. Dans une seconde partie nous intéressons effets d'une modulation radiofréquence sur les propriétés de transport des mêmes systèmes. Nous montrons notamment que ces effets peuvent être décrit par une théorie du blocage de Coulomb dynamique effective en convoluant la statistique d'absorption de photon avec la statistique de Tien-Gordon. Notons cependant que les relations de fluctuation dissipation ne sont plus vérifiées. Ces prédictions théoriques sont comparées aux résultats expériments obtenus par une équipe du SPEC au CEA de Saclay. Enfin nous étudions les propriétés de transport lorsque l'environnement, ici un oscillateur harmonique, est maintenu dans un état excité. Nous montrons que la présence de photons autorise d'une part le processus photo-assistés mais favorise également l'absorption de photons par des processus de bunching. Nous montrons finalement que les propriétés du transport s'obtiennent en convoluant la loi de Poisson du blocage de Coulomb avec la fonction caractéristique de Glauber de l'état peuplant l'oscillateur, menant à des statistiques exotiques. Ce dernier point nous permet d'utiliser ce système comme un détecteur d'état quantique.

Après la découverte de la magnéto-résistance géante (GMR) par Albert Fert et Peter Grünberg, l'électronique a connu une véritable avancée avec la naissance d'une nouvelle branche appelée spintronique. Cette discipline, encore jeune, consiste à exploiter le spin des électrons dans le but notamment de stocker de l'information numérique. La plupart des dispositifs exploitant cette propriété quantique des électrons consistent en une alternance de fines couches magnétiques et non magnétiques sur un substrat semi-conducteur. L'un des outils de choix pour la caractérisation de ces structures, inventé en 1988 par Kaiser et Bell, est le microscope à émission d'électrons balistiques (BEEM). A l'origine, ce microscope, dérivé du microscope à effet tunnel (STM), était dédié à l'imagerie d'objets (nanométriques) enterrés ainsi qu'à l'étude de la barrière de potentiel (barrière Schottky) qui se forme à l'interface d'un métal et d'un semi-conducteur lors de leur mise en contact. Avec l'essor de la spintronique, le BEEM est devenu une technique de spectroscopie essentielle mais encore fondamentalement incomprise. C'est en 1996 que le premier modèle réaliste, basé sur le formalisme hors équilibre de Keldysh, a été proposé pour décrire le transport des électrons dans cette microscopie. Il permettait notamment d'expliquer certains résultats expérimentaux jusqu'alors incompris. Cependant, malgré son succès, son usage a été limité à l'étude de structures semi-infinies via un méthode de calcul appelée décimation de fonctions de Green. Dans ce contexte, nous avons étendu ce modèle au cas des films minces et des hétéro-structures du type vanne de spin : partant du même postulat que les électrons suivent la structure de bandes du matériaux dans lesquels ils se propagent, nous avons établi une formule itérative permettant le calcul des fonctions de Green du système fini par la méthode des liaisons fortes. Ce calcul des fonctions de Green a été encodé dans un programme Fortran 90, BEEM v3, afin de calculer le courant BEEM ainsi que la densité d'états de surface. En parallèle, nous avons développé une autre méthode, plus simple, qui permet de s'affranchir du formalisme hors équilibre de Keldysh. En dépit de sa naïveté, nous avons montré que cette approche permettait l'interprétation et la prédiction de certains résultats expérimentaux de manière intuitive. Cependant, pour une étude plus fine, le recours à l'approche “hors équilibre” reste inévitable, notamment pour la mise en évidence d'effets d'épaisseur, lés aux interfaces inter-plans. Nous espérons que ces deux outils puissent se révéler utiles aux expérimentateurs, et notamment pour l'équipe Surfaces et Interfaces de notre département
After the discovery of Giant Magneto-Resistance (GMR) by Albert Fert and Peter Grünberg, electronics had a breakthrough with the birth of a new branch called spintronics. This discipline, while still young, exploit the spin of electrons, for instance to store digital information. Most quantum devices exploiting this property of electrons consist of alternating magnetic and nonmagnetic thin layers on a semiconductor substrate. One of the best tools used for characterizing these structures, invented in 1988 by Kaiser and Bell, is the so-called Ballistic Electron Emission Microscope (BEEM). Originally, this microscope, derived from the scanning tunneling microscope (STM), was dedicated to the imaging of buried (nanometer-scale) objects and to the study of the potential barrier (Schottky barrier) formed at the interface of a metal and a semiconductor when placed in contact. With the development of spintronics, the BEEM became an essential spectroscopy technique but still fundamentally misunderstood. It was in 1996 that the first realistic model, based on the non-equilibrium Keldysh formalism, was proposed to describe the transport of electrons during BEEM experiments. In particular, this model allowed to explain some experimental results previously misunderstood. However, despite its success, its use was limited to the study of semi-infinite structures through a calculation method called decimation of Green functions. In this context, we have extended this model to the case of thin films and hetero-structures like spin valves: starting from the same postulate that electrons follow the band structure of materials in which they propagate, we have established an iterative formula allowing calculation of the Green functions of the finite system by tight-binding method. This calculation of Green’s functions has been encoded in a FORTRAN 90 program, BEEM v3, in order to calculate the BEEM current and the surface density of states. In parallel, we have developed a simpler method which allows to avoid passing through the non-equilibrium Keldysh formalism. Despite its simplicity, we have shown that this intuitive approach gives some physical interpretation qualitatively similar to the non-equilibrium approach. However, for a more detailed study, the use of “non-equilibrium approach” is inevitable, especially for the detection of thickness effects linked to layer interfaces. We hope these both tools should be useful to experimentalists, especially for the Surfaces and Interfaces team of our department

Photo-thermo-refractive (PTR) glass is an ideal photosensitive material for recording phase volume holograms. It is a homogeneous multi-component silicate glass that demonstrates all the advantages of optical glass: thermal stability, high laser damage threshold, and a wide transparency range. Moreover the ability to record phase patterns (i.e. spatial refractive index variations) into PTR glass has resulted in the fabrication of volume holograms with diffraction efficiency greater than 99%. The conventional method of recording a hologram in PTR glass relies on exposure to continuous-wave ultraviolet laser radiation. In this dissertation the interaction between infrared ultrashort laser pulses and PTR glass is studied. It is shown that photosensitivity in PTR glass can be extended from the UV region to longer wavelengths (near-infrared) by exposure to ultrashort laser pulses. It is found that there exists a focusing geometry and laser pulse intensity interval for which photoionization and refractive index change in PTR glass after thermal development occur without laser-induced optical damage. Photoionization of PTR glass by IR ultrashort laser pulses is explained in terms of strong electric field ionization. This phenomenon is used to fabricate phase optical elements in PTR glass. The interaction between ultrashort laser pulses and volume holograms in PTR glass is studied in two laser intensity regimes. At intensities below ~10^12 W/cm^2 properties such as diffraction efficiency, angular divergence, selectivity, and pulse front tilt are shown to agree with the theory of linear diffraction for broad spectral width lasers. A volume grating pair arrangement is shown to correct the laser pulse distortions arising from pulse front tilt and angular divergence. At higher intensities of irradiation, nonlinear generation and diffraction of third harmonic is observed for three types of interactions: sum-frequency generation, front-surface THG generation, and THG due to phase-matching with a grating formed by modulation of the nonlinear refractive index of PTR glass.
Ph.D.
Optics and Photonics
Optics and Photonics
Optics PhD

Dans cette thèse d'habilitation, nous considérons plusieurs aspects du transport à travers une molécule unique, connectée à des bornes de métal normal ou à des bornes supraconductrices.
L'emphase à été mise sur la détection des signatures les plus marquantes du transport cohérent à travers les molécules, ainsi que sur la compréhension des problèmes de corrélations (problème à N corps) sur la dynamique de ces systèmes, provenant des degrés de liberté internes (vibrations, spin,...) du conducteur et affectant le passage du courant.

En ce qui concerne le transport dans le régime normal à travers une molécule qui vibre (un nanotube de carbone suspendu par ses extrémités), nous avons procédé à une étude détaillée de la conductance différentielle négative (CDN) qui est observée dans ces dispositifs. En supposant des contacts tunnel, tel que les électrons qui s'échappent dans les bornes effectivement perdent leur cohérence de phase (c'est-à-dire à haute température),
nous avons dérivé les équations cinétiques dans lesquelles la nature quantique de l'interaction électron-phonon au sein du point quantique moléculaire est prise en compte sans approximations (formation de polaron sur le point quantique moléculaire). Le fait que la conductance différentielle soit positive ou négative dépend de la position du niveau polaronique et de l'occupation des pics satellites associés au nombre d'occupation des phonons, qui sont compris entre la tension de source et de drain des électrodes. La CDN
apparaît lorsque deux de ces pics satellites entrent en compétition dans le transport, et constitue une signature des effets hors équilibres associés au vibrations de la molécule. Nous avons clairement montré que pour des couplages tunnels asymétriques (situation qui correspond à la géométrie des expériences sur le domaine), on observe un CDN pour un vaste domaine de paramètres. Nous avons également exploré les effets de navette électronique, ou
le déplacement de la molécule entre en compte dans l'Hamiltonien tunnel, qui peuvent être détectés en regardant l'asymétrie des courbes courant tension. Bien que le mécanisme de navette tend à renforcer la CDN, il n'est toutefois pas suffisant pour y donner lieu sans hypothèses sur la valeur relative des couplages tunnels.

Nous avons également étudié le transport dans le régime normal à travers un point quantique moléculaire dans le cas d'un couplage fort aux contacts, mais loin du régime Kondo. En utilisant l'approche hors équilibre des fonctions de Green dans la représentation du polaron, nous sommes allés au delà du régime perturbatif pour calculer la caractéristique courant tension dans le régime de couplage électron-phonon intermédiaire. Nous avons montré qu'en accroissant le couplage tunnel au contacts, les corrélations associées au nuage de polaron deviennent très importantes à haute température, et donnent lieu à une réduction dramatique de l'élargissement des pics la densité d'états de la molécule. Nous proposons une détection de ces phénomènes par la mesure de la conductance différentielle, tout en variant la température locale de la molécule (nanotube de carbone). On note qu' en présence d'un environnement dissipatif les pic satellites dus aux phonons devraient acquérir un élargissement additionnel. L'inclusion des effets d'amortissement des modes phononiques constituerait une extension de ce travail.

Dans cette thèse, nous avons également abordé le problème du transport cohérent en présence de phonons, dans un système moléculaire connecté à des contacts supraconducteurs. Nous avons calculé le courant DC (partie du courant stationnaire) pour toutes les valeurs de la tension à l'aide de l'approche des fonctions de Green Keldysh, pour une fréquence de vibration arbitraire, mais dans le régime du couplage faible électron-phonon. Nos principaux résultats sont les suivants : i) dans le régime sous le gap $eV<\Delta$, les processus de réflexions multiples d'Andreev (MAR) sont accompagnés de processus d'émission/absorption de phonons et donne lieu à une structure très riche près des valeurs de tension ou le nombre
de réflexions d'Andreev changent d'une unité (ces tensions sont appelées les « MAR onsets »). On observe alors un effet pair impair ou le courant est augmenté/diminué suivant la transition de « MAR onset » (entre pair/impair et vice versa). Ces phénomènes trouvent un interprétation physique en comparant avec la théorie de la diffusion de Buttiker-Landauer, adaptée au contacts supraconducteurs, une théorie connue sous le nom d' « échelle de MAR ». A l'équilibre $V=0$, nous avons obtenu des résultats analytiques pour le courant Josephson dans la limite adiabatique ou la fréquence de vibration est faible comparée au gap supraconducteur, qui est interprétée en terme des états liés d'Andreev avec une transparence aux contacts renormalisée par les phonons. Pour le futur, une extension de cette théorie au calcul du bruit (fonction de corrélation courant-courant) est envisagée. Le bruit peut en effet procurer une information supplémentaire sur la charge transmise à travers la jonction, et il serait intéressant d'étudier l'effet des phonons dans ce cadre.

Nous avons également considéré le cas des contacts supraconducteurs, mais cette fois pour les interactions fortes, et uniquement à l'équilibre ou le courant Josephson dépend de la différence de phase entre les deux supraconducteurs. Cette fois on s'intéresse à un diagnostique sur l'état des phonons sur le point quantique moléculaire. Nous trouvons que pour le régime de faible couplage tunnel, des états non-classiques de type « chat de Schrodinger » (une superposition d'états cohérents opposés) sont associés aux états du courant et donc aux liés d'Andreev dans la jonction. Ces états non classiques peuvent être
explicités en procédant à une mesure projective du courant. Pour des contacts transparents, nous avons montré que l'effet Josephson génère des fluctuations de phonon cohérentes, et induit des états quantiques « comprimés » de phonon, analogues aux états « comprimés » de photons en optique quantique : l'impulsion canoniquement conjuguée à la distorsion de la molécule possède des fluctuations inférieures a la valeur minimale habituelle de fluctuations du point zéro. La compression d'états de phonons s'observe pour une grande plage de paramètres : elle est contrôlée par la différence de phase et devient maximale près de la transition de polaron. La détection expérimentale de tels états comprimés pourrait être effectuée en nanoélectronique à l'aide de nanotubes suspendus. Il faudrait recourir à un diagnostique optique tel que l'effet Raman résonant, pour démonter l'existence de ces états de phonons non-classiques.

Une autre manière d'explorer les phénomènes cohérents dans le cadre du transport Josephson
est d'étudier les situations ou les degrés de liberté de spin des électrons du point quantique moléculaire et des électrodes sont importants. Nous avons donc calculé le courant Josephson
à travers un point quantique moléculaire doté d'un grand spin, qui possède une interaction d'échange avec l'électron du point quantique. Ce couplage d'échange peut donner lieu à une transition à l'état pi de la jonction (relation courant phase opposée par rapport a une jonction normale, de phase 0). La contribution relative du courant provenant des états liés d'Andreev
et du continuum détermine si la jonction est dans l'état 0 ou l'état pi. Un débouché possible de cette étude est d'étudier les effets de décohérence, et de rétroaction du supercourant sur la dynamique du spin moléculaire.

Dans un autre contexte, les effets de spin associé au courant Josephson ont été étudiés pour un point quantique possédant plusieurs nivaux, et sujet à l'interaction spin orbite Rashba et Dresselhaus. Pour un point quantique ne possédant qu'un seul niveau les effet du couplage spin orbite sont inexistants en l'absence d'un champ magnétique externe. En présence de ce dernier, le courant de ce point quantique possède des oscillations de type Datta Das en fonction du paramètre de couplage spin orbite multiplié par la longueur du point quantique.
Ces oscillations ont une amplitude de quelques dixièmes du courant nominal Josephson, et pourraient donc être observées expérimentalement. Le cas d'un point quantique possédant plusieurs niveaux est plus intéressant. Pour un point quantique à deux niveaux en particulier,
Le courant possède une dépendance sur le couplage spin orbite même en l'absence de champ magnétique. Le supercourant possède des maxima et des minima marqués pour certaines valeurs de ce couplage. Leur observation constituerait une première évidence du fonctionnement d'un transistor à effet spin orbite dont les bornes sont supraconductrices.
Dans le futur il serait intéressant d'inclure les interactions Coulombiennes sur le dot.

Nous avons développé en parallèle une théorie pour modéliser un bit quantique basé sur les états liés d'Andreev : un dispositif constitué d'un SQUID (dispositif d'interférométrie supraconducteur) et d'un contact ponctuel supraconducteur, combinant donc un circuit macroscopique et microscopique. Le contact ponctuel – qui implique une transparence
elevée entre les contacts, peut être vu comme un point quantique qui contient deux états fermioniques localisés, à leur tout couplés à la dynamique de la phase supraconductrice
(un mode bosonique local). Nous avons étudié la décohérence de ce bit quantique d'Andreev, associée à un couplage des électrons des contacts avec des modes de phonons acoustiques. La nature fermionique des nivaux d'Andreev n'affecte pas le pilotage du bit quantique, mais elle joue un rôle important en ce qui concerne sa décohérence : la relaxation et le déphasage induit
suivent une loi de puissance dans le temps plutôt qu'une exponentielle. De plus, nous avons trouvé que le taux de transition entre les nivaux du bit quantique, induit par les transition phononiques est réduit de manière considérable comparé au taux de transition électron-phonon dans les contacts : l'étalement de la fonction d'onde de ses niveaux dans les contacts
réduit l'espace de phase disponible pour ces transitions assistées par les phonons.

Dans une étude séparée, nous nous sommes intéressé à la mesure du bruit à haute fréquence ainsi qu'a celle des moments supérieurs du courant, à l'aide d'un circuit résonant en présence de dissipation. Le circuit résonant est couplé à un circuit mésoscopique placé dans le régime cohérent. L'information sur les moments supérieurs du courant est codée dans les histogrammes de la charge du condensateur du circuit résonant. La dissipation est prise en compte par le modèle de Caldeira Leggett, et il est essentielle de l'inclure pour obtenir des fluctuations de charge (donc un bruit mesuré) finies. Nous identifions également quelle
Combinaison des corrélateurs de courant entrent dans l'expression du troisième moment mesuré. Ce dernier fait appel à la même susceptibilité généralisée que pour le bruit mesuré, mais elle ne diverge pas dans la limite d'un circuit non dissipatif. Les prédictions sur la mesure de ces quantités sont testées pour le cas du bruit émanant d'un contact ponctuel.

Un conducteur est bien caractérisé par sa conductance donnée par la formule de Landauer. Toutefois, le bruit contient davantage d'informations. Il mesure les fluctuations temporelles du courant autour de sa valeur moyenne. De plus, le signe des corrélations croisées est lié à la statistique des porteurs de charge. Cette thèse aborde deux principaux thèmes à savoir le transport dans les liquides de Luttinger et dans les structures hybrides. Dans la première partie, nous commençons par donner une vision détaillée des liquides de Luttinger et des systèmes qu'ils modélisent. Nous parlons également du formalisme de Keldysh permettant de traiter des problèmes hors équilibre. Puis, nous rentrons dans le vif du sujet en étudiant l'effet de la largeur d'un contact ponctuel quantique sur le courant de rétrodiffusion entre les deux états de bords de l'effet Hall quantique. L'augmentation de la largeur du contact ponctuel quantique entraîne une forte diminution du courant de rétrodiffusion. Dans un autre chapitre, nous développons une technique permettant l'utilisation d'un circuit RLC couplé inductivement au circuit mésoscopique pour détecter les corrélations de courant en régime photo-assisté. La mesure de ces corrélations s'effectue à travers la charge aux bornes du condensateur. Dans une deuxième partie, nous consacrons notre étude au transport non-local dans les structures hybrides supraconductrices. L'étude de la réflexion d'Andreev croisée y est détaillée. Finalement, nous étudions une structure en double point quantique reliée à deux électrodes en métal normal et une supraconductrice. Nous mettons en avant la séparation des paires de Cooper en mesurant simultanément les courants de branchement et les corrélations croisées. Nous démontrons que dans le régime antisymétrique, c'est-à-dire lorsque les deux points quantiques ont des niveaux d'énergie opposés par rapport au potentiel chimique du supraconducteur, la réflexion d'Andreev croisée est optimisée
The conductance is the most natural quantity to characterize a quantum conductor. It is given by the Landauer Formula. However, noise contains more information. It measures the current fluctuations around its average value. Moreover, the sign of the crossed correlations is related to the statistics of carriers. This thesis broaches two main topics which are the transport in the quantum Hall effect and in hybrid circuits.First, we start by introducing the Luttinger liquid and the systems which are modelized by them. Also, we discuss the Keldysh formalism in order to treat nonequilibrium problems. Then, we study the effect of the width of a quantum point contact on the backscattering current between two edge states of the quantum Hall effect. By increasing the width of the quantum point contact, we show that the backscattering current is strongly reduced. In another chapter, we develop a technique to use a RLC circuit inductively coupled to a mesoscopic circuit in order to measure the current correlations in the photo-assisted regime. The measurement of these correlations is performed through the charge on the capacitor plates.Secondly, we present the non-local transport in hybrid structures. The mechanism of Crossed Andreev Reflection is explained. Finally, we study a double quantum dot connected to two normal leads and a superconducting lead. We introduce the separation of the Cooper pair by measuring together the branching currents and the crossed correlations. We demonstrate that in the anti-symmetric regime (the energy level of the two quantum dots have opposite values with respect to the chemical potential of the superconducting lead), crossed Andreev reflection is optimized

The results presented in this PhD Thesis aim at understanding thermalization dynamics and, strictly speaking, pre-thermalization in both open and closed quantum spin chains driven out-of-equilibrium. In order to make analytical progress, we consider perturbations of the Quantum Ising Chain (QIC), one of the simplest integrable models, whose non-equilibrium dynamics has been studied in great details in the last few years. In Chapter 2 we introduce for the non-technical reader the main recent ideas behind quantum thermalization and relaxation in integrable and non-integrable quantum many body systems, while Chapter 3 contains an introduction to the current understanding of pre-thermalization. In Chapter 4 we start our study considering a QIC perturbed by a time dependent noise in the direction of the transverse magnetic field [6] [7]. We generalize the concept of pre-thermalization to a noisy quantum many body system driven away from equilibrium simultaneously by a quantum quench of the transverse field and by the noise, highlighting the mechanism behind pre-thermalization and the subsequent relaxation towards the thermal state in a wide class of physically relevant observables. Our main achievement is to show that pre-thermalization occurs quite generally up to time scales where the noise is dominated by the non-equilibrium dynamics induced by the quench of the transverse field, while for longer times pre-thermal plateaux disappear and the noise leaves different signatures in different observables. In Chapter 5 we consider the more challenging problem of pre-thermalization in a closed non-integrable quantum spin chain [8]. We show using a mapping of a weakly non-integrable spin chain into a hard core boson model, that pre-thermalization is successfully captured by a low-density description of the theory, which results in a integrable, bosonic model, that constitutes an excellent description for the out-of-equilibrium dynamics up to intermediate time scales. On the other hand, in order to investigate the late time dynamics we resort to a diagrammatic approach, which serves for a two-fold scope. First, we focus on the effect of the leading inelastic processes, realizing that they constitute only a sub-leading correction to the pre-thermal plateau, found within the effective low-energy description; and secondly, we show from a Quantum Boltzmann equation perspective how inelastic processes are the fundamental ingredient in order to have thermalization in the late time dynamics. The main technical tool used to derive the results in Chapter 4 and 5 is the Keldysh contour technique which is reviewed in the Appendix. This PhD Thesis is based on the following works: 1) J. Marino, A. Silva, Relaxation, pre-thermalization and diffusion in a noisy Quantum Ising Chain, Phys. Rev. B 86, 060408 (Rapid Communications) (2012). 2) M. Marcuzzi, J. Marino, A. Gambassi, A. Silva, Pre-thermalization in a non-integrable quantum spin chain after a quench, arXiv:1307.3738 (2013) (submitted to Phys. Rev. Lett.). 3) J. Marino, A. Silva, Non-Equilibrium Dynamics of a Noisy Quantum Ising Chain: statistics of the work and prethermalization after a sudden quench of the transverse field, arXiv:1309.7595 (2013) (submitted to Phys. Rev. B).

京都大学
0048
新制・課程博士
博士(工学)
甲第22447号
工博第4708号
新制||工||1735(附属図書館)
京都大学大学院工学研究科電子工学専攻
(主査)教授 木本 恒暢, 教授 山田 啓文, 准教授 船戸 充
学位規則第4条第1項該当
Doctor of Philosophy (Engineering)
Kyoto University
DFAM

The purpose of this master thesis is to investigate theoretically the influence of a nanomagnet on the Josephson effect displayed by phase biased point contacts consisting of topological superconductors. The device is modeled using the nonequilibrium Keldysh Green’s function technique. First, the Gor’kov Green’s functions are calculated. From these Green’s functions, the quasi-classical ones, relevant for energies around the Fermi energy, are obtained. Transport properties such as charge currents are calculated and analyzed in terms of the junction’s density of states displaying Andreev and Majorana states. The combination of the nanomagnet coupling and the spin-momentum locking of the topological superconductors generates a magneto-electric effect causing the supercurrent to depend strongly on the nanomagnet’s direction.

Un conducteur est bien caractérisé par sa conductance donnée par la formule de Landauer. Mais le bruit contient davantage d'informations que la conductance. Il mesure les fluctuations temporelles du courant autour de sa valeur moyenne. De plus, le signe des corrélations croisées est lié à la statistique des porteurs de charges.

Nous considérons l'injection controllée d'une charge d'un métal normal sur un état de bord de l'effet Hall quantique fractionnaire, à l'aide d'une tension dépendant du temps V(t). Nous montrons que les corrélations électroniques préviennent les divergences des fluctuations de charge pour un pulse de tension générique. La formule de la charge moyenne et des fluctuations de charges sont obtenue en utilisant l'approximation adiabatique et les résultats non perturbatifs pour un bord de l'effet Hall quantique Fractionnaire de facteur de remplissage 1/3. Nous faisons également une généralisation aux systèmes décrits par les autres modèles des liquides de Luttinger.

Nous considérons la mesure à haute fréquence des corrélations de courant à l'aide d'un circuit résonnant, qui est couplé inductivement au circuit mésoscopique dans le régime cohérent. Les informations sur les corrélations apparaissent dans les histogrammes de la charge aux bornes de la capacité du circuit résonnant. La dissipation est essentiel afin de conserver des fluctuations de charge finis. Nous identifions quelle combinaison du courant de corrélation entre dans la mesure du troisième moment. Ce dernier reste stable pour une dissipation nulle. Nous proposons alors une généralisation du circuit LC résonant afin de sonder directement les corrélations croisées. Les corrélations croisées dépendent de quatre corrélateurs non-symétrisés. Les résultats sont illustrés pour un point contact.

In 2010 high harmonic generation (HHG) in solids was first observed where high order harmonics of a strong laser field's frequency were observed. HHG in solids is now a rapidly developing field that allows for exciting applications like fully solid state attosecond XUV sources and new ultrafast resolution imaging techniques for quantum dynamics in solids. HHG in solids has been explained by two mechanisms: an interband mechanism, due to polarization associated with separate energy bands, and an intraband mechanism that results from nonlinearities and population changes associated with each individual band. While interband HHG has been seen in wide bandwidth semiconductors, intraband HHG has been observed in narrow bandwidth dielectrics. There has not yet been an explanation of the alternation of mechanisms with material differences. The main goal of this thesis is to attempt to provide a better understanding of the most important mechanisms and where they prevail. Although numerical modelling of HHG requires consideration of multiple energy bands, a two-band model consisting only of a valence band and a single conduction band can explain the most important mechanisms. This model requires a given material's band gap between its valence and conduction bands as well as dipole matrix elements between the bands. In this thesis we follow the Kronig-Penney model to develop a 1D delta-function potential model of solids to obtain these properties required of the two-band model. We implement this in a Wannier quasi-classical (WQC) model of interband HHG in semiconductors that explains the dominant dynamics leading to such through quasi-classical real space electron-hole pair trajectories. Although HHG in solids can be explained to be the result of a resonant process in which an electron-hole pair is generated in the first step, there are also virtual transition processes that lack consideration. These processes do not conserve energy and correspond to transitions to conduction bands resulting from field induced distortions of the ground state. We use methodology introduced by Keldysh for optical field ionization of atoms and solids along with the 1D delta-function potential model to quantify how both resonant and virtual transitions lead to HHG in solids for wide and low bandwidth solids.

Dans cette thèse, nous nous intéressons à un point quantique
connecté à trois réservoirs. Le nuage Kondo se développe
essentiellement dans le troisième réservoir, fortement couplé au point
quantique, alors que les deux autres réservoirs, faiblement couplés au
point quantique, servent à sonder le système par des mesures de
transport.
Après avoir modélisé une telle géométrie triterminale, nous
avons calculé la matrice de conductance à température nulle par la
théorie des liquides de Fermi.
Dans le reste de la thèse, nous nous sommes intéressés au cas
où le troisième réservoir est de taille finie, ce qui confère à sa densité d'état une structure en pics.
Dans un premier temps, nous avons étudié le système par le
groupe de renormalisation perturbatif et nous avons calculé la
température Kondo, principale échelle d'énergie du problème.
Ensuite, nous avons calculé la matrice de conductance du
système dans différents régimes de température. Pour des températures
très grandes devant la température Kondo, nous avons utilisé une
approche perturbative. Pour des températures très petites devant la
température Kondo, nous avons utilisé une théorie de type liquides de
Fermi. Et dans le régime intermédiaire, nous avons utilisé une méthode
numérique appelée théorie des bosons esclaves en champ moyen. Dans ce
dernier régime a également été menée à terme une analyse
spectroscopique de la densité d'état du point quantique.

L'étude de la dynamique hors équilibre des systèmes fortement corrélés, à l'aide de laser femtoseconde, a révélé une variété de phénomènes sans analogue en physique d'équilibre. Dans cette thèse, nous étudions théoriquement la dynamique hors équilibre des degrés de liberté du réseau et leur signature en spectroscopie pompe-sonde. Nous développons une description microscopique des phonons cohérents displacive excité par le laser. La théorie capture la rétroaction de l'excitation des phonons sur le fluide électronique, qui manque dans la formulation phénoménologique actuelle. Nous montrons que cette rétroaction conduit à une oscillation avec une fréquence qui dépend du temps aux temps courts, même si le mouvement des phonons est harmonique. Pour les temps longs, cette rétroaction apparaît comme une phase résiduelle dans le signal oscillatoire. Nous appliquons la théorie au BaFe2As2, nous expliquons l'origine de la phase du signal oscillatoire rapporté dans des expériences récentes, et nous prédisons que le système oscille avec une fréquence décalé vers le rouge pour les grandes fluences. Notre théorie ouvre également la possibilité d'extraire des informations d'équilibre à partir la dynamique des phonons cohérents. Un autre phénomène intéressant qui a été observé en spectroscopie pompe-sonde est l'oscillation des fluctuations du réseau au double de la fréquence d’un phonon du système étudié. Ces oscillations sont interprétées comme une signature d'états de phonons squeezé macroscopique. Dans ce travail, nous identifions d'autres mécanismes d'oscillations à une fréquence double autre que le squeezing. Nous montrons qu'un quench de la température du bain thermique induite par la pompe, à laquelle le phonon est couplé, ou l'excitation d'un phonon cohérent pour lequel l'anharmonicité cubique est permise par symétrie peut également produire de telles oscillations en spectroscopie sans que le phonon soit dans un état squeezé. Nous concluons que, contrairement à ce qui est communément admis, les oscillations à double fréquence phononique en spectroscopie de bruit ne sont pas nécessairement une signature des phonons squeezés. Nous soulignons ce qui peut être un critère fiable pour identifier un phonon squeezé en utilisant la spectroscopie pompe-sonde
The study of the out of equilibrium dynamics of strongly correlated systems, using ultrafast pulses, uncovered a plethora of phenomena with no analog in equilibrium physics. In this thesis, we theoretically investigate the out of equilibrium dynamics of the lattice degrees of freedom and their signature in pump-probe spectroscopy. We develop a Hamiltonian-based microscopic description of laser pump induced displacive coherent phonons. The theory captures the feedback of the phonon excitation upon the electronic fluid, which is missing in the state-of-the-art phenomenological formulation. We show that this feedback leads to chirping at short timescales, even if the phonon motion is harmonic. At long times, this feedback appears as a finite phase in the oscillatory signal. We apply the theory to BaFe2As2, explain the origin of the phase in the oscillatory signal reported in recent experiments, and we predict that the system will exhibit redshifted chirping at larger fluence. Our theory also opens the possibility to extract equilibrium information from coherent phonon dynamics. Another interesting phenomenon that have been reported in pump-probe spectroscopy is the oscillation of the lattice fluctuations at double phonon frequency. These oscillations are invariably interpreted as a signature of macroscopic squeezed phonon states. In this work, we identify other mechanisms of double phonon frequency oscillations that do not involve squeezing. We show that a pump induced temperature quench of the bath, to which the phonon is coupled to, or exciting a coherent phonon for which cubic anharmonicity is allowed by symmetry can also produce such oscillations in noise spectroscopy without squeezing the phonon state. We conclude that, in contrast with what is commonly believed, double phonon frequency oscillations in noise spectroscopy are not necessarily a signature of macroscopic phonon squeezing. We point out what can be a reliable criterion to identify a squeezed phonon using pump-probe spectroscopy

La production de noyaux de fonderie, pièces de sable consolidé intervenant dans la fabrication de moules qui permettent le coulage de métal liquide, nécessite de concevoir des boîtes à noyau en bois ou en métal ayant la forme exacte de la pièce que l'on veut produire. La principale difficulté du design de ces dernières réside dans le positionnement tout autour de leur frontière de filtres semi-perméables, étanches aux particules et laissant passer l'air. Aujourd'hui, le placement optimal de ces évents est réalisé par des méthodes convergentes d'essais et erreurs, coûteuses à la fois en temps et en argent. Ces méthodes consistent à fabriquer des boîtes tests et à en vérifier la viabilité en essayant de produire un noyau à partir de celles-ci. Les travaux de cette thèse, effectués en collaboration avec le CTIF, visent à mettre en place des outils de modélisation permettant de remplacer les essais réels effectués par les concepteurs sur les sites industriels par des simulations numériques. Ils développent également des outils algorithmiques de conception optimale, en aidant les utilisateurs à placer automatiquement les filtres autour des boîtes de telle sorte que la fabrication des noyaux se réalise dans les meilleures conditions.

Un conducteur quantique est bien caractérisé par sa conductance donnée par la formule de Landauer. Mais le bruit contient davantage d'informations que la conductance : il mesure les fluctuations temporelles du courant autour de sa valeur moyenne. De plus, le signe des corrélations de bruit est lié à la statistique des porteurs de charge. Dans une jonction entre un métal normal et un supraconducteur, le bruit présente une singularité à la fréquence Josephson, signature de la charge 2e des paires de Cooper impliquées dans le transport. Lorsque la tension appliquée est supérieure au gap du supraconducteur, la courbe du bruit exhibe des singularités à plusieurs fréquences auxquelles on peut associer un processus de réflexion ou de transmission. L'analogue fermionique de l'expérience d'Hanbury-Brown et Twiss avec un supraconducteur permet d'observer à la fois des corrélations positives et négatives dans un même système. Maintenir une différence de potentiel entre les deux extrémités d'un fil crée une situation relevant de la thermodynamique hors de l'équilibre. Formellement, on peut se ramener à un calcul à l'équilibre et écrire une théorie des perturbations grâce à la méthode de Keldysh. La théorie des liquides de Luttinger décrit les systèmes unidimensionnels d'électrons en interaction. Le Hamiltonien peut se mettre sous forme quadratique grâce à la bosonisation. D'autre part, un liquide de Luttinger chiral constitue un bon modèle des états de bord de l'effet Hall quantique fractionnaire. Grâce au formalisme de Keldysh, on peut retrouver une formule de type Schottky et identifier la charge des quasiparticules de Laughlin.

Le point central de cette thèse est la physique du bruit: la transformée de Fourier de la function de correlation temporelle courant-courant. Nous examinons des situations dans lesquelles le bruit généré par un circuit mésoscopique donné affecte le comportement d'un autre circuit mésoscopique. Dans une première partie, la source de bruit est inconnue, et le circuit mésoscopique qui lui est couplé de manière capacitive se comporte comme un détecteur de bruit à haute fréquence. Dans notre cas, le détecteur est constitué d'une jonction métal normal-supraconducteur, où le transport électronique est du au transfert de
quasiparticules, ou, de manière plus intéressante, est du à la réflexion d'Andreev. La théorie du blocage de Coulomb dynamique est utilisée pour calculer le courant continu qui passe dans le circuit de détection, procurant ainsi une information sur le bruit à haute fréquence. Dans la deuxième partie de cette thèse, la source de bruit est connue : elle provient d'une barre de Hall avec un contact ponctuel, dont les caractéristiques de courant-tension et de bruit sont bien établies dans le régime de l'effet Hall
quantique fractionnaire. Un point quantique connecté à des bornes source et drain, qui est placé au voisinage du
contact ponctuel, acquière une largeur de raie finie lorsque le courant fluctue, et se comporte comme un
détecteur de bruit de charge. Nous calculons le taux de déphasage du point quantique dans le régime de
faible et de fort rétrodiffusion, tout en décrivant l'effet de l'écrantage faible ou fort de l'interaction
Coulombienne entre la barre de Hall et le point quantique.

Cette thèse s'inscrit dans le domaine de la physique mésoscopique. Plus particulièrement, on s'est intéressé aux effets de taille finie et aux effets de l'écrantage causé par une pointe de STM dans un fil quantique, ceci à travers les comportements du courant, du bruit non-symétrisé et de la conductance. Ces études reposent sur, d'une part, la théorie des liquides de Luttinger qui permet de décrire les systèmes 1D d'électrons fortement corrélés et d'autre part, le formalisme Keldysh permettant de considérer des situations hors équilibre.
Le bruit présente un comportement non poissonien, résultant des effets de taille finie. A travers le transport photo-assisté, il est également montré que ces effets masquent ceux des interactions coulombiennes. En considérant la proximité entre la pointe de STM, qui sert de sonde comme d'injecteur d'électrons, et un fil quantique, des effets d'écrantage apparaissent. Il est montré qu'ils jouent un rôle similaire à ceux des interactions coulombiennes.

The vacuum, as described by Quantum Field Theory, is not as empty as classical physics once led us to believe. In fact, it is characterised by an infinite energy stored in the ground state of its constituent fields. This infinite energy has real, tangible effects on the macroscopic clusters of matter that make up our universe. Moreover, the configuration of these clusters of matter within the vacuum in turn influences the form of the vacuum itself and so forth. In this work, we shall consider the changes to the quantum vacuum brought about by the presence of time-dependent dielectrics. Such changes are thought to be responsible for phenomena such as the simple and dynamical Casimir effects and Quantum Friction. After introducing the physical and mathematical descriptions of the electromagnetic quantum vacuum, we will begin by discussing some of the basic quasi-static effects that stem directly from the existence of an electromagnetic ground state energy, known as the \textit{zero-point energy}. These effects include the famous Hawking radiation and Unruh effect amongst others. We will then use a scenario similar to that which exhibits Cherenkov radiation in order to de-mystify the 'negative frequency' modes of light that often occur due to a Doppler shift in the presence of media moving at a constant velocity by showing that they are an artefact of the approximation of the degrees of freedom of matter to a macroscopic permittivity function. Here, absorption and dissipation of electromagnetic energy will be ignored for simplicity. The dynamics of an oscillator placed within this moving medium will then be considered and we will show that when the motion exceeds the speed of light in the dielectric, the oscillator will begin to absorb energy from the medium. It will be shown that this is due to the reversal of the 'radiation damping' present for lower velocity of stationary cases. We will then consider how the infinite vacuum energy changes in the vicinity, but outside, of this medium moving with a constant velocity and show that the presence of matter removes certain symmetries present in empty space leading to transfers of energy between moving bodies mediated by the electromagnetic field. Following on from this, we will then extend our considerations by including the dissipation and dispersion of electromagnetic energy within magneto-dielectrics by using a canonically quantised model referred to as 'Macroscopic QED'. We will analyse the change to the vacuum state of the electromagnetic field brought about by the presence of media with an arbitrary time dependence. It will be shown that this leads to the creation of particles tantamount to exciting the degrees of freedom of both the medium and the electromagnetic field. We will also consider the effect these time-dependencies have on the two point functions of the field amplitudes using the example of the electric field. Finally, we will begin the application of the macroscopic QED model to the path integral methods of quantum field theory with the purpose of making use of the full range of perturbative techniques that this entails, leaving the remainder of this adaptation for future work.

2011/2012
Negli ossidi dei metalli di transizione le correlazioni elettroniche, magnetiche e reticolari sono all’origine di peculiari proprietà fisiche come la resistenza magnetica colossale e la superconduttività ad alta temperatura critica. La spettroscopia risolta in tempo è uno strumento unico per separare il contributo dei singoli gradi di libertà. Inoltre, tale tecnica può essere usata per indurre transizioni di fase non-termiche nella materia condensata. In particolare, scegliendo appositi impulsi pompa in combinazione con impulsi sonda in grado di misurarne gli effetti, è possibile “guidare” la materia nello stato fisico desiderato tramite un’eccitazione selettiva. I primi capitoli della tesi introducono lo stato dell’arte, le tecniche sperimentali e i modelli usati per studiare le proprietà ottiche dei cristalli fuori equilibrio. I capitoli successivi sono dedicati a singoli materiali: abbiamo eseguito misure di riflettività risolte in tempo con pompa nel visibile e sonda ad ampio spettro (1-3 eV) su alcuni isolanti di Mott (YVO3 e La2CuO4) e superconduttori (YBa2Cu3O7-d), e con pompa THz (1 THz~4 meV) su GaAs. YVO3 è un prototipico isolante di Mott e mostra una varietà di fasi caratterizzate da peculiari ordini orbitali e magnetici in funzione della temperatura. In questo sistema le eccitazioni ottiche sono direttamente collegate al grado di libertà orbitale, magnetico o elettronico, ma la loro interpretazione è controversa. Eseguendo misure di riflettività risolte in tempo e frequenza abbiamo dimostrato che le due transizioni ottiche ad energie minori (1.8 eV e 2.4 eV) appartengono alla stessa banda: in particolare, la transizione a 1.8 eV è interpretabile come un eccitone di Hubbard, ovvero uno stato quasi legato stabilizzato da una diminuzione di energia cinetica. Inoltre, abbiamo suggerito l’interpretazione della fase metastabile (che sopravvive almeno fino a 1 ns dopo la foto-eccitazione) come una fase disordinata di spin, e che il materiale potrebbe pertanto essere utilizzato come interruttore magnetico ultra-veloce (F.Novelli et al., Phys. Rev. B 86, 165135, 2012). Per studiare la dipendenza della risposta ottica transiente dei cuprati dalla lunghezza d’onda della pompa ci siamo concentrati sul La2CuO4. I nostri risultati dimostrano che l’effetto degli impulsi di pompa non può sempre essere trattato come semplice perturbazione della temperatura del sotto-sistema elettronico, poiché dinamiche molto diverse vengono rivelate quando l’energia degli impulsi di pompa è maggiore o minore dell’energia del gap di trasferimento di carica, che si trova a circa 2 eV. In particolare foto-eccitare sopra gap è analogo ad un aumento di temperatura, mentre foto-eccitare sotto gap “indurisce” il gap di trasferimento di carica. Ciò suggerisce l’esistenza di eccitazioni a bassa energia che inducono una rinormalizzaizione non termica del gap (in preparazione). Per studiare l’interazione fra grado di libertà vibrazionale e grado di libertà elettronico nei sistemi a forte correlazione elettronica abbiamo utilizzato impulsi di pompa con lunghezza d’onda centrale pari a 800 nm e impulsi di sonda nell’intervallo 400-1200 nm su film sottili di YBa2Cu3O7-d drogato in modo ottimale. Le oscillazioni della riflettività transiente palesano due fononi con frequenze di pochi THz che coinvolgono rispettivamente vibrazioni, pressoché pure, di Ba e Cu. Mentre il modo del rame è indipendente, il modo del bario risulta chiaramente accoppiato alla fase superconduttiva. L’ampiezza delle oscillazioni del modo del bario aumenta sotto la temperatura critica e la sua distribuzione spettrale è modificata quando il condensato viene sciolto dagli impulsi di pompa. I nostri risultati offrono una nuova prospettiva nell’interpretazione della dinamica delle transizioni inter-banda dei cuprati che subiscono forti modificazioni sotto TC (in preparazione). Abbiamo studiato un regime misto nell’interazione fra luce e materia tramite misure risolte in fase dell’effetto Franz-Keldysh nell’arseniuro di gallio. L’effetto Franz-Keldysh consiste nella perturbazione delle proprietà ottiche di un semiconduttore in una regione energetica intorno al gap a seguito dell’applicazione di un campo elettrico. Le misure sono state effettuate con impulsi di pompa ultra corti a singolo ciclo ottico nella regione spettrale del terahertz, e impulsi di sonda ad ampio spettro nella regione spettrale del visibile. Regolando l’intensità degli impulsi di pompa abbiamo studiato sia l’effetto Franz-Keldysh dinamico che un nuovo regime di saturazione in cui la “memoria” è importante, ovvero in cui la risposta ottica intorno al gap dipende da una funzione integrale del campo elettrico applicato. I nostri risultati potrebbero essere utili nell’ambito della strumentazione ottica ultra-veloce (F. Novelli et al., Scientific Reports 3, 1227, 2013). In conclusione, abbiamo dimostrato che le eccitazioni selettive sono certamente possibili in diversi ossidi dei metalli di transizione tramite tecniche spettroscopiche ultra-veloci risolte in tempo e frequenza: importanti informazioni fisiche possono essere ottenute regolando il contenuto energetico degli impulsi laser utilizzati.
XXV Ciclo
1984

Dans notre thèse nous nous sommes intéressés à l'étude des fluctuations de courant, de l'admittance quantique ainsi que la densité d'états pour un nano système en interaction. Notre travail se divise en deux parties. Dans la première partie, nous avons étudié les fluctuations de courant et l'admittance pour un conducteur unidimensionnel, en décrivant le système par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons utilisé les techniques de bosonisation et de refermionisation afin d'aboutir à des résultats exacts pour tous les régimes de température, toutes les valeurs de la tension appliquée et toute la gamme des fréquences. Les résultats obtenus sont appliqués à un conducteur cohérent couplé à un quantum de résistance, et aux états de bord dans le régime de l'effet Hall quantique fractionnaire. Dans le cas d'un conducteur cohérent, le bruit non symétrisé à fréquence finie exhibe un profil différent de celui de la théorie de la diffusion, et la conductance à fréquence finie est directement liée au courant. Dans le cas du régime de l'effet Hall quantique fractionnaire, nous avons pu établir que dans certaines limites, il existe une relation entre les corrélations de courant à l'admittance quantique. En particulier, les singularités qui apparaissent dans les corrélations de courant sont celles de l'admittance. Dans la deuxième partie, nous avons étudié un fil quantique connecté à deux réservoirs qui sont représentés par deux impuretés. Le système est décrit par un liquide de Tomonaga-Luttinger. Nous avons établi et résolu l'équation de Dyson pour la fonction de Green retardée. Ce qui permet de calculer la densité d'états pour un fil quantique homogène puis inhomogène. Dans le cas d'un paramètre d'interaction homogène, l'effet des impuretés modifie le profil de la densité d'états. Dans le cas d'un paramètre d'interaction inhomogène, le calcul de la densité d'états est plus difficile et une approche numérique est indispensable.

In this dissertation we study the dynamic Franz-Keldysh effect (DFKE) in GaAs. We observe the salient features of DFKE viz., below bandgap absorption and oscillations above the band gap, in our experiments. We also report the first observation of a large photoinduced transparency which represents a novel coherent phenomenon based on the DFKE and agrees well with the theoretical predictions. Finally we propose schemes making use of this effect to realize all-optical wavelength conversion required in high speed optical networks based on wavelength division multiplexing (WDM).

博士
國立成功大學
物理學系
88
Abstract We study the opto-absorption spectra for quantum-well (QW) and quantum-wire systems, with layer thickness ranging from 200 A to 1500 A under a built-in electric field. The effect of heavy-hole and light-hole mixing is considered by using the 4×4 Luttinger Hamiltonian. For a 200 A QW, the spectrum exhibits an oscillatory feature due to quantum confine Stark effect (QCSE), which is different in nature from the bulk Franz-Keldysh oscillation (FKO). At room temperature, it is impractical to determine the confine energies from the modulation spectra. Instead, we find that the polarization-modulation spectra contain more clear information about the confine levels. For wider QWs, the Fourier transformation (FT) of the spectra with energy scaled in exhibit FKO characteristic peaks. On the other hand, for narrower QWs the characteristic peak of QCSE can be observed in FT with energy scaled in . By comparing the Fourier spectra, we set the transition width at 600 A, which is much larger and more realistic than those previously reported. Finally, using a quantum wire of small lateral size (50 A×50 A), we observe the one-dimensional characteristic (wire-like) FKO for wires with length longer than 500 A. On the other hand, QCSE dominates for shorter tetragons (dot-like). The wire-like to dot-like transition can be clearly demonstrated by examining the FKO characteristic peaks in the scaling FT of modulation spectra.

碩士
國立成功大學
物理學系碩博士班
95
Modulation spectroscopy of photoreflectance has been widely employed in studies of the photoelectric properties of semiconductors and semiconductor microstructures. However, to our knowledge, completed derivations of the equations used in analyzing the PR spectra have never been presented in literature or textbooks. In this study, the Franz-Keldysh oscillation of the spectra of the modulation spectroscopy of photoreflectance (PR) or electroreflectance (ER) is analyzed theoretically in detail and demonstrated experimentally. The relative formulae are derived in detail. Based on the fundamental theories of optics, electromagnetism and quantum mechanics, the Schrodinger equation of the electron-hole pair modulated with a moderate electric field is expressed by an Airy function while the imaginary part of the dielectric constant can be expressed as an integration of the square of the Airy function over the photon energy. The WKB approximation is employed to execute the integration of . The real part of the dielectric constant is then obtained from via the Kramer-Kronig relation. By comparing the variations of and as a function of electric field at low field limit with Aspenese third derivative formula, the Seraphine coefficients are obtained and thus the formula for the PR spectra, which agrees with equations widely used in analyzing experimental data of photoreflectance and electroreflectance. The equation for the variation in the imaginary part of the dielectric constant has been presented in various literature and textbooks. The equation represents an oscillation function of photon energy and becomes divergent as the photon energy increases, which apparently violate its nature as a physical quantity. In this study, a broadening parameter is introduced in the derivation of . An oscillation function with exponential decay is obtained for the variation of , which is not only consistent with its fundamental nature as a physical quantity but also agrees with the features observed experimentally. The PR spectra of intrinsic GaAs wafer and surface intrinsic-N+ (SIN+) structures are measured with various pump beam intensities. The variation of the PR spectra observed experimentally agrees with expectations of the theoretically derived formulae. In addition, the electro-optical properties obtained from the analysis of the experimental data are consistent with that observed in previous studies.

碩士
國立彰化師範大學
電子工程學系
102
This thesis consists of both simulation and experimental characterization. For simulation, we use the APSYS software to analyze GaAs p-i-n and surface potential structures with the aim of achieving nearly uniform and strong enough electric fields. The simulation results help optimize the semiconductor structure so that the Franz-Keldysh oscillations (FKO) in modulation spectroscopy can be well resolved. As for the experimental part, we extract the value of the electric field within semiconductor from the electroreflectance (ER) FKO signal and then evaluate the Schottky barrier height of the metal-GaAs junction. Our results are consistent with the data published elsewhere.

L'objectif de ce travail fut de modéliser et caractériser un composant à semiconducteur capable de générer des impulsions électriques subpicosecondes par photocommutation. Ce composant est réalisé avec un peigne interdigité situé au milieu du ruban central d'un guide coplanaire en or déposé sur du GaAs basse température dopé au béryllium. En éclairant avec un laser femtoseconde ce détecteur polarisé, il est possible de générer des impulsions électriques dont la durée est approximativement celle du temps des vie des électrons. Une étude comparative de plusieurs méthodes de caractérisation (échantillonnages photoconductif, électro-optique, électroabsorption) fut réalisée et met en évidence avantages et inconvénients de chaque technique. Les différentes mesures montrent l'influence du matériau et du circuit hyperfréquence sur la réponse du dispositif. On observe en particulier l'augmentation du temps de vie des électrons due à la saturation du niveau de piège. De même, on observe l'influence de la valeur de la capacité du détecteur sur la durée de la réponse et la limitation de l'amplitude des impulsions due à l'impédance des lignes. Un modèle simple, basé sur un circuit électrique équivalent, prenant en compte les aspects matériau et hyperfréquence, permet de bien décrire ces phénomènes. De plus, ce modèle illustre en détail la dynamique des différents paramètres physiques et électriques lors de l'éclairement du détecteur par deux impulsions optiques consécutives. Cette mesure pompe-sonde photoconductive montre le temps de relaxation du photocommutateur et la saturation des pièges. Enfin, le modèle permet de calculer la bande passante du dispositif en photomélange.

The imaginary part of the retarded self energy is of particular interest as it contains a lot of physical information about particle interactions. In higher order loop diagrams the calculation become extremely tedious and if we have to do the same at finite temperature, it includes an extra dimension to the difficulty. In such a condition we require to switch between bases and select the best basis for a particular diagram. We have shown in our calculation that in higher order loop diagrams, at #12;finite temperature, the R/A basis is most convenient on summing over the internal vertices and very efficient on calculating some particular diagrams while the result is most easily interpretable in the Keldysh basis for most other complex diagrams.