Littérature scientifique sur le sujet « Quasiparticules »

Pour paraphraser Karl Marx, « un spectre hante la physique : le spectre d’Ettore Majorana ». Près de 80 ans après sa disparition, les travaux du physicien italien continuent d’inspirer les chercheurs. Ainsi, dans son dernier article, Majorana prédit qu’une particule élémentaire dépourvue de charge électrique pourrait être sa propre antiparticule [1], en opposition avec la théorie de Dirac, pour laquelle une particule et son antiparticule sont distinctes. Plusieurs groupes ont récemment annoncé la découverte de quasiparticules de Majorana dans des nanostructures supraconductrices. En plus d’être leur propre antiparticule, ces quasi-particules possèdent des propriétés exotiques qui sont d’un grand intérêt pour le développement d’un ordinateur quantique topologiquement protégé.

Dans la première partie de la thèse, on considère l'interaction entre les quasiparticules d'un film diffusif, c'est-à-dire un film dans lequel le libre parcours élastique est très inférieur aux dimensions du film. Les interactions sont sensées y être plus importantes que dans un métal parfait, décrit par la théorie du liquide de Fermi. Nous avons mesuré à basse température la fonction de distribution en énergie de plusieurs fils diffusifs mésoscopiques (longueur de l'ordre du micromètre) hors d'équilibre. Selon le rapport entre le temps de diffusion à travers le fil et le temps typique d'interaction entre quasiparticules, nous avons observé un régime proche du régime sans interactions, un régime d'interactions fortes, et un régime intermédiaire. Du régime intermédiaire on déduit la dépendance en énergie du module de l'interaction.
La deuxième partie est consacrée à l'effet de proximité, c'est-à-dire la pénétration dans un métal non supraconducteur (normal, N) de l'ordre supraconducteur (S), caractérisé par l'appariement entre quasiparticules. L'ordre induit modifie la densité d'états du métal N, que nous avons mesurée en fonction de la distance au contact NS. A une distance de 100 nm, la densité d'états au niveau de Fermi est diminuée de moitié. La modification de la densité d'états subsiste jusqu'à une distance de l'ordre du micron.
De même, le courant à travers une interface NS pour des tensions inférieures au gap du S (courant d'Andreev) dépend de l'appariement induit dans le métal N. Ce courant, dû au passage cohérent de deux électrons du métal N dans le S, est amplifié par le confinement des trajectoires électroniques près de l'interface. Pour démontrer la nature interférentielle de cette amplification, nous avons fabriqué un « NS-QUID », constitué par une fourche supraconductrice fermée par un fil normal. La figure d'interférence est constituée par le courant, qui est modulé par un champ magnétique appliqué perpendiculairement à l'échantillon.

Dans la premiere partie de la these, on considere l'interaction entre les quasiparticules d'un film diffusif, c'est-a-dire un film dans lequel le libre parcours elastique est tres inferieur aux dimensions du film. Les interactions sont sensees y etre plus importantes que dans un metal parfait, decrit par la theorie du liquide de fermi. Nous avons mesure a basse temperature la fonction de distribution en energie de plusieurs fils diffusifs mesoscopiques (longueur de l'ordre du micrometre) hors d'equilibre. Selon le rapport entre le temps de diffusion a travers le fil et le temps typique d'interaction entre quasiparticules, nous avons observe un regime proche du regime sans interactions, un regime d'interactions fortes, et un regime intermediaire. Du regime intermediaire on deduit la dependance en energie du module de l'interaction. La deuxieme partie est consacree a l'effet de proximite, c'est-a-dire la penetration dans un metal non supraconducteur (normal, n) de l'ordre supraconducteur (s), caracterise par l'appariement entre quasiparticules. L'ordre induit modifie la densite d'etats du metal n, que nous avons mesuree en fonction de la distance au contact ns. A une distance de 100 nm, la densite d'etats au niveau de fermi est diminuee de moitie. La modification de la densite d'etats subsiste jusqu'a une distance de l'ordre du micron. De meme, le courant a travers une interface ns pour des tensions inferieures au gap du s (courant d'andreev) depend de l'appariement induit dans le metal n. Ce courant, du au passage coherent de deux electrons du metal n dans le s, est amplifie par le confinement des trajectoires electroniques pres de l'interface. Pour demontrer la nature interferentielle de cette amplification, nous avons fabrique un ns-quid, constitue par une fourche supraconductrice fermee par un fil normal. La figure d'interference est constituee par le courant, qui est module par un champ magnetique applique perpendiculairement a l'echantillon.

Les evidences s'accumulent recemment qu'il existe les fortes fluctuations magnetiques incommensurables dans les etats normaux et supraconductrice des cuprates supraconducteurs. Les correlations magnetiques observees dans ceux composes d'oxyde jouent un role essentiel dans les proprietes anormales des etats normaux et supraconductrice. Cette these est consacree a une etude sur les fluctuations magnetiques a basse energie dans le modele de hubbard, et leurs effets sur les proprietes des quasiparticules en presence de dopage (avec des trous). Cette these contient deux parties. Nous consacrons la premiere partie aux fluctuations des spins au demi-remplissage et la dynamique d'un trou mis dans le milieu antiferromagnetique. Nous avons developpe la methode diagrammatique de feynman dans un referentiel non local introduit par une transformation unitaire. Cette derniere demarche nous a permis d'ecrire l'hamiltonien (de hubbard) sous une forme qui rend transparente tous les processus delocalisant un porteur de charge dans l'etat antiferromagnetique, nous pouvons ainsi distinguer, en termes des diagrammes de feynman, toutes les autres diffusions de celles qui font intervenir la double occupation. Une etude systematique a ete donnee sur les fluctuations magnetiques au demi-remplissage, la dynamique d'un trou dans la limite d'ising et avec les fluctuations des spins. Ce formalisme ainsi etablit une liaison entre les methodes perturbatives et celles de coupage fort. Dans la deuxieme partie, nous nous concentrons sur le cas d'un dopage fini. En utilisant la methode d'integrale fonctionnelle, nous avons presente une etude detaillee sur les fluctuations quantiques dans une phase spirale, et leurs consequences sur la stabilite de l'etat ordonne a longue portee et sur les proprietes des quasiparticules. Nous avons montre que les fluctuations de spin sont fortement renormalisees: il s'agit d'une ligne d'energie presque nulle dans le spectre, ou la vitesse de spin se trouve manifestement anisotrope, en contraste avec ce qui l'on attend d'un modele phenomenologique. La possibilite d'un etat desordonne a ete examinee apres l'evaluation de la fonction correlation spin-spin et de la correction du parametre d'ordre de la phase spirale. L'instabilite vers un etat inhomogene (separation de phase, odc) se manifestee par l'apparition simultanee d'un mode imaginaire avec les trois modes de goldstone, et a pour origine la couplage effectif entre les fluctuations de la densite de charge et les fluctuations de spin dans le plan spiral. Nous montrons egalement que l'instabilite vers la separation de phase est une artefact du modele de hubbard et est supprimee en presence de l'interaction coulombienne. Nous avons aussi examine la renormalisation des proprietes des quasiparticules en presence de ces fluctuations de basse energie

Nous presentons une etude de la dynamique des excitons charges positivement (trions x +) et des excitons neutres (x) dans des puits quantiques de cdte/cdmgznte dopes p par modulation. Dans des experiences de melange a quatre ondes degenerees, nous avons explore les mecanismes de dephasage des x + et des x. Les resultats obtenus avec des impulsions picosecondes indiquent que, contrairement aux excitons neutres, les trions et les trous sont localises a basse temperature dans les fluctuations du potentiel electrostatique induit par les accepteurs ionises. L'observation de battements quantiques entre les etats x + et x dans des mesures de melange d'ondes en regime femtoseconde exclut une eventuelle separation spatiale des x + et des x dans des zones du puits quantique pleines ou vides de trous et suggere une distribution de trous localises relativement homogene. De maniere generale, nous proposons l'utilisation du trion comme sonde chargee et optiquement active, pour mesurer le desordre electrostatique. A l'aide d'experiences de photoluminescence resolue en temps et de variation de transmission en pompe-sonde degenerees, nous avons analyse les dynamiques de spin et de population des x + et des x. Une partie des mesures a ete realisee en lumiere polarisee circulairement avec un champ magnetique transverse induisant des battements quantiques de spin. Les resultats ainsi obtenus montrent que la dynamique de polarisation de la raie x + est exclusivement gouvernee par le spin de l'electron et confirment que les spins des deux trous du trion sont bloques dans un etat singulet. L'evolution des signaux de la transition x + sous excitation resonante confirme l'hypothese des trions localises. L'ajustement d'un modele cinetique aux resultats experimentaux nous a fourni l'ensemble de parametres caracterisant les differents processus de relaxation impliques dans la dynamique de population.

Cette thèse présente des études théoriques et expérimentales sur la caractérisation de gaz de bosons unidimensionnels (1D). Pour produire de tels systèmes, un gaz de Rubidium est placé dans un piège magnétique très confinant transversalement, produit par une puce atomique.Contrairement aux systèmes thermodynamiques atteignant un équilibre caractérisé par quelques variables d'état (pression, température), ce système relaxe dans un état plus complexe décrit par une fonction appelée distribution de rapidités. Cette grandeur est accessible expérimentalement : la distribution de rapidités est la distribution asymptotique des vitesses des atomes après une expansion de ces derniers dans le guide 1D. Cette fonction peut aussi être extraite en étudiant la dynamique de l'expansion unidimensionnelle grâce à l'hydrodynamique généralisée, une théorie émergente suscitant beaucoup d'attentions, spécialement développée pour l'étude de ces systèmes.Une première étude détaillée dans ce manuscrit a été de caractériser les expansions longitudinales unidimensionnelles des gaz de bosons 1D. L'évolution des profils de densité ainsi que des fluctuations de phase ont été analysées et sont en accord avec les prédictions théoriques.Un deuxième projet a été la mise en place d'un outil de sélection spatial permettant à la fois de produire des situations hors équilibre ainsi qu'à sonder localement la distribution de rapidités. Ces mesures ont été réalisées sur des gaz à l'équilibre et hors-équilibre. Les mesures sont notamment cohérentes avec les prédictions de la théorie hydrodynamique généralisée
This manuscript describes theoretical and experimental studies on characterizing one dimensionnal (1D) bose gas. To produce such a system, a Rubidium gas est trapped in a very transversally confining magnetic potential produced by an atom chip. Contrary to thermodynamic systems reaching an equilibrium described by several macroscopic parameters (pressure, temperature), this system relaxes towards a more complex state described by a function called the rapidity distribution. This function can be accessed experimentally : the rapidity distribution corresponds to the asymptotic atomic velocity distribution after a 1D expansion of the atoms. This quantity can also be extracted by studying the 1D expansion with the Generalized Hydrodynamic, an emerging theory with a lot of interest recently, specially conceived for studying these systems.A first study detailed in this manuscript consisted in characterizing 1D expansion of the gas. The evolution of the density profile and the evolution of phase fluctuations were analyzed and found to be compatible with theoretical predictions. A second project involved adding a spatial selection tool to produce non-equilibrium situations and to locally probe the rapidity distribution of the system. These measurements were performed on initial equilibrium and out of equilibrium situations. They are well understood with the predictions of Generalized Hydrodynamics

Ce mémoire présente des mesures de conductivité thermique sur les supraconducteurs YBCO et Tl-2201 afin de statuer sur la présence possible d'un point critique quantique (QCP) dans le diagramme de phase de cuprates. Ce point critique quantique serait à l'origine de la reconstruction de la surface de Fermi, d'un large cylindre de trous en de petites poches de trous et d'électrons. La conductivité thermique dans le régime T [arrow right] 0 permet d'extraire une quantité purement électronique liée aux vitesses de Fermi et du gap, au noeud. Une discontinuité dans cette quantité pourrait signaler la traversée du dopage critique qui reconstruit la surface de Fermi. Plusieurs sondes expérimentales distinguent une transition de phase ou un crossover à T * à température finie. D'autres sondes mettent en évidence une transition de phase sous l'effet d'un champ magnétique. La présence ou non de cet ordre, à température et champ magnétique nul questionne la communauté depuis plusieurs années. Dans cette étude, nous détectons une variation brusque de ?0 /T à p = 0.18 dans YBCO et à p = 0.20 dans Tl-2201. Ces sauts sont interprétés comme un signe de la transition à température nulle et sont en faveur d'un QCP. Le manque de données d'un même matériau à ces dopages ne permet pas de valider hors de tout doute l'existence d'un point critique quantique. Le modèle théorique YRZ décrit aussi bien les données de conductivité thermique. Des pistes de travaux expérimentaux à poursuivre sont proposées pour déterminer la présence ou non du QCP de façon franche.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés à la propagation hors équilibre de corrélations dans des modèles quantiques sur réseau. L'objectif principal a été de comprendre comment se propage l'information dans un système quantique corrélé et d'expliquer notamment des résultats a priori contradictoires dans la littérature. Pour ce faire, nous avons employé une approche combinant des études analytiques et numériques. En ce qui concerne l'approche analytique, celle-ci est basée sur une théorie de quasiparticules et a permis de dévoiler une expression générique des fonctions de corrélation pour des systèmes quantiques de particules ou de spins interagissant à courte ou longue portée sur un réseau hypercubique. En utilisant la méthode de phase stationnaire, nous avons montré que la région causale de ces corrélations présente une structure double universelle. Cette dernière est composéenon seulement d'une borne mais également d'extrema locaux dans son voisinage définissant la partie externe et interne des corrélations résolues en temps et distance respectivement. Dans le cas d'interactions de courte portée, nous avons prouvé que les deux structures se propagent ballistiquement avec des vitesses généralement différentes et reliées à la vitesse de groupe et de phase du spectre d'excitation du Hamiltonien après quench. Pour des interactions de longue portée de type loi de puissance, les lois d'échelle peuvent être sensiblement modifiées dues à une possible divergence de la vitesse de groupe. Pour ce cas spécifique correspondant au régime dit quasi-local, une double structure aux lois d'échelle algébriques a été présentée.Bien que la borne des corrélations se propage toujours moins rapidement que ballistiquement, les extrema locaux se propagent plus rapidement que ballistiquement et ballistiquement pour des systèmes quantiques non gappés et gappés respectivement. Cependant pour le régime local caractérisé par une valeur maximale bien définie de la vitesse de groupe et impliquant une décroissance rapide des interactions de longue portée, nous avons retrouvé un comportement similaire au cas d'interactions de courte portée pour la propagation des corrélations. Afin de vérifier nos prédictions théoriques, des simulations numériques basées sur des techniques de réseaux de tenseurs ont été effectuées pour différents systèmes quantiques à savoir le modèle de Bose-Hubbard ainsi que les modèles de spins XY et d'Ising transverse
In this thesis, we have investigated the spreading of quantum correlations in isolated lattice models with short- or long-range interactions driven far from equilibrium via sudden global quenches. A main motivation for this research topic was to shed new light on the conflicting results in the literature concerning the scaling law of the correlation edge, its lack of universality and the incompleteness of the existing physical pictures to fully characterize the propagation of quantum correlations. To do so, we have presented a general theoretical approach relying on a quasiparticle theory. The latter has permitted to unveil a generic expression for the equal-time connected correlation functions valid both for short-range and long-range interacting particle and spin lattice models on a hypercubic lattice. Relying on stationary phase arguments, we have shown that its causality cone displays a universal twofold structure consisting of a correlation edge and a series of local extrema defining the outer and inner structure of the space-time correlations. For short-range interactions, the motion of each structure is ballistic and the associated spreading velocities are related to the group and phase velocites of the quasiparticle dispersion relation of the post-quench Hamiltonian. For long-range interactions of the form 1/|R|^α, the correlation spreading is substantially different due to a possible divergence of group velocity when tuning the power-law exponent α. For a divergent group velocity, extit{ie.} the quasi-local regime, we have presented evidence of a universal algebraic structure for the causality cone. While, the correlation edge motion has been found to be always slower than ballistic, the local extrema propagate faster than ballistically and ballistically for gapless and gapped quantum systems respectively. For the local regime implying a well-defined group velocity, we have recovered similar scaling laws and spreading velocities than the short-range case for the causality cone of correlations. The previous theoretical predictions have been verified numerically using tensor network techniques within the case study of the short-range Bose-Hubbard chain and the long-range s=1/2 XY and transverse Ising chains

Les performances des circuits supraconducteurs sont souvent limitées par la dynamique des quasiparticules, c’est pourquoi la supraconductivité hors équilibre suscite un intérêt de longue date. Pour sonder les mécanismes microscopiques mis en jeu dans un tel système, l’injection de quasiparticules a déjà été réalisée à l’aide de jonctions tunnel à l’échelle mésoscopique grâce aux progrès de la nanotechnologie moderne. Cependant, les jonctions tunnel lithographiées ont une résolution spatiale limitée et ne permettent pas de faire varier indépendamment la tension appliquée et le courant tunnel. Afin de surmonter ces difficultés, la nouveauté de ce travail de thèse est d’utiliser un microscope à effet tunnel (STM) fonctionnant à très basse température (50 mK) pour moduler le courant critique de nanofils supraconducteurs en faisant varier la position de la pointe et les conditions tunnel.Dans de fins nanofils de niobium recouverts d’or, nous avons mesuré une réduction radicale du courant critique en injectant par effet tunnel un courant de quasiparticules inférieur de six ordres de grandeur. Nous interprétons cette observation par une augmentation locale de la température électronique, et suggérons également que ce même mécanisme est à l’oeuvre dans les transistors supraconducteurs à effet de champ (SuFETs). Le courant critique dépend fortement de la position d’injection dans le nanofil, du taux d’injection et de l’énergie des quasiparticules. Pour des énergies grandes devant le gap supraconducteur, la réduction du courant critique est contrôlée par la puissance injectée. Nos mesures montrent que la diffusion de chaleur par les quasiparticules et les phonons explique la dépendance du courant critique avec la puissance et la position d’injection, et permettent de sonder le couplage électron-phonon dans nos échantillons. En revanche, en diminuant l’énergie des quasiparticules à taux d’injection constant, le courant critique décroit fortement près du gap supraconducteur, ce qui montre que le modèle de quasi équilibre thermique n’est plus valide. Nous expliquons ce comportement par une fonction de distribution des quasiparticules hors équilibre et non Fermi Dirac, et ceci nous permet d’estimer le taux de relaxation des quasiparticules. Nous avons également étudié les propriétés spectrales des nanofils en présence de courant, et induit des vortex avec un champ magnétique pour créer des inhomogeneités spatiales dans la densité d’état. Nous avons ainsi mis en évidence l’effet de piégeage des quasiparticules par les vortex à l’échelle nanométrique, ce qui présente un intérêt particulier puisque jusqu’ici les seules expériences qui permettaient d’étudier la dynamique d'un système supraconducteur inhomogène sondaient nécessairement un volume macroscopique, rendant difficile l’interprétation des mesures en termes d’inhomogénéité. Par conséquent, ce travail expérimental ouvre une nouvelle perspective pour étudier la compétition entre diffusion, relaxation et recombinaison de quasiparticules dans les supraconducteurs fortement désordonnés, avec de nombreuses applications dans les domaines de la détection de photons et de l’électronique supraconductrice
Quasiparticles dynamics often governs the ultimate performances of superconducting devices. Out-of-equilibrium superconductivity has therefore attracted a long-standing interest. In order to probe the microscopic mechanisms at play, injection of quasiparticles with the help of a tunnel junction has already been employed at the mesoscopic scale, thanks to the outstanding progress in modern nanotechnology. However, lithographed tunnel junctions lack spatial resolution and do not allow to vary the bias voltage and the tunneling current independently. In order to overcome these two limitations the novelty of this PhD work is to use a Scanning Tunneling Microscope (STM) working at very low temperature (50 mK) to tune the critical current of superconducting nanowires as a function of the tip position and the tunneling set-point.In thin niobium nanowires capped with gold, we measured a drastic reduction of the critical current by injecting a tunnelling current of quasiparticles that is six orders of magnitude lower. We interpret this observation as a local increase of the electronic temperature. We also suggest that the same mechanism is at play in superconducting Field Effect Transistors (SuFETs). The critical current depends strongly on the injection position along the nanowire, the injection rate and the energy of the quasiparticles. At large energies compared to the superconducting gap, the reduction of the critical current is controlled by the injected power. Our measurements show that the diffusion of heat by quasiparticles and phonons explains the injection power and position dependencies, and allow to probe the electron-phonon coupling in our samples. By contrast, when reducing the energy at constant injection rate, the critical current sharply decreases close to the gap energy, signalling the breakdown of the quasi-equilibrium model. We explain this behaviour as a non Fermi Dirac out of equilibrium energy distribution of the quasiparticles, and this allows to estimate the relaxation rate of the quasiparticles. We also probed the spectral properties of current carrying nanowires, and induced magnetic vortices to create spatial variations in the density of states. We thus evidenced the effect of quasiparticle trapping by vortices at the nanometer scale, which is of particular interest since until now the only experiments that allow investigating the dynamics of an inhomogeneous superconducting system necessarily probed a macroscopic volume of the superconductor, rendering explanation of the measurements in terms of the inhomogeneity difficult.Therefore, this experimental work opens a new perspective to investigate the competition between diffusion, relaxation and recombination of quasiparticles in strongly disordered superconductors with various applications such as in photon detection and superconducting electronics

Cette thèse applique l'approche des Quasiparticles (QA) pour étudier les mécanismes à l'échelle atomique qui conduisent à la transformation de phase CFC à CC dans le fer. Dans un premier temps, cette étude se concentre sur le fer pur, fournissant des résulats détaillés sur la nature et le rôle des dislocations à l'interface CFC-CC. Il a été montré que l'interface CFC-CC est semi-cohérente, avec des marches, et contient deux réseaux de dislocations de transformations. L'approche des Quasiparticles a permis de révéler l'influence de la relation d'orientation sur les caractéristiques de l'interface. Bien que les relations d'orientation étudiées ont montré diférentes structures d'interface, il a été démontré que toutes suivent le même chemin de transformation atomique, dû au glissement des dislocations de transformation à l'interface. Il a été conclu que la transformation complète de CFC à CC implique le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs (KS) en deux variantes le long des lignes de dislocations, avec le mécanisme de transformation de Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) qui émerge comme la moyenne de l'action des deux mécanismes KS. Cette description détaillée a servi de base pour l'étude des systèmes Fe-C, où la ségrégation du carbone à l'interface a été observée. De plus, il a été montré que les profils de concentration de carbone sont cohérents avec des conditions d'équilibre local à l'interface
This thesis applies the Quasiparticle Approach (QA) to investigate the atomic scale mechanisms driving the phase transformation from FCC to BCC structures in iron. Initially, the study focuses on pure iron, providing detailed results into the nature and role of dislocations, at the FCC-BCC interface. It was shown that the FCC-BCC interface is semi-coherent and stepped, with two sets of transformations dislocations at the interface. The QA framework reveals how each orientation relationship (OR) influences the interface characteristics. Although the ORs displayed different interface structures, all were ultimately found to follow the same atomic transformation path, driven by the glide of transformation dislocations at the interface. It was concluded that the complete FCC to BCC phase transformation involves the action of the Kurdjumov-Sachs (KS) transformation mechanism in two variants along the two sets of dislocations, with the Kurdjumov-Sachs-Nishiyama (KSN) mechanism emerging as the average of the two KS mechanisms. This detailed description served as a basis for the study of Fe-C systems, where carbon segregation at the interface was observed. Moreover, it was shown that the carbon concentration profiles were consistent with local equilibrium conditions at the interface