Etude de la dynamique en temps réel de systèmes mésoscopiques fortement corrélés. – DYMESYS

Nous avons étendu le groupe de renormalisation fonctionnel que nous avions développé dans nos précédents travaux pour étudier l’effet d’un champ magnétique sur le transport hors-équilibre à travers une boîte quantique. . Nous avons montré que les équations de renormalisation des constantes d’échange devenaient fortement anisotropiques. Cela entraîne des singularités dans le bruit à fréquence finie lorsque la fréquence prend les quatre valeurs suivantes |eV+B|,|eV-B|,- |eV+B|,-|eV-B| où V désigne le voltage et B le champ magnétique.
De plus, nous avons montré que la présence du champ entraine une anisotropie dans la décohérence du spin les directions transverses et longitudinales et une forte source de déphasage supplémentaire pour le spin de la boîte quantique. Une des conséquences mesurable expérimentalement est une forte diminution des résonances étroites prédites pour la conductance ac hors-équilibre.
Dans le cadre de la thèse expérimentale de Julien Basset nous avions réalisé la première mesure des fluctuations de courant à haute fréquence dans le régime Kondo sur une boîte quantique réalisée avec un nanotube de carbone. Cela a été obtenu par couplage du détecteur quantique de bruit (une jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (SIS)) via un circuit résonant supraconducteur. Une singularité dans le bruit reliée à la résonance Kondo avait pu être mis en évidence à la tension V= hf/e lorsque la fréquence de mesure f est de l'ordre de kBTK/h. Cette singularité est fortement diminuée lorsque la fréquence est de l'ordre de 3kBTK/h. Ce comportement est en bon accord avec les prédictions théoriques si l'on considère un taux de déphasage du spin plus important induit par la tension appliquée.

Nous avons mis en évidence des singularités dans le bruit à fréquence finie lorsque la fréquence prend les quatre valeurs suivantes |eV+B|,|eV-B|,- |eV+B|,-|eV-B| où V désigne le voltage et B le champ magnétique.
De plus, nous avons montré que la présence du champ entraine une anisotropie dans la décohérence du spin les directions transverses et longitudinales et une forte source de déphasage supplémentaire pour le spin de la boîte quantique. Une des conséquences mesurable expérimentalement est une forte diminution des résonances étroites prédites pour la conductance ac hors-équilibre.
Expérience : Dans le cadre de la thèse de Julien Basset nous avions réalisé la première mesure des fluctuations de courant à haute fréquence dans le régime Kondo sur une boîte quantique réalisée avec un nanotube de carbone [2]. Cela a été obtenu par couplage du détecteur quantique de bruit (une jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (SIS)) via un circuit résonant supraconducteur [3]. Une singularité dans le bruit reliée à la résonance Kondo avait pu être mis en évidence à la tension V= hf/e lorsque la fréquence de mesure f est de l'ordre de kBTK/h. Cette singularité est fortement diminuée lorsque la fréquence est de l'ordre de 3kBTK/h. Ce comportement est en bon accord avec les prédictions théoriques si l'on considère un taux de déphasage du spin plus important induit par la tension appliquée.

Nous avons commencé avec le partenaire Roumain l’extension du groupe de renormalisation fonctionnel à une boîte quantique Kondo couplée à plusieurs terminaux de conduction.
Sur le plan expérimental, Ces mesures ont été les premières réalisées dans ce régime et demandent à être affinées. En particulier une maximisation du signal détecté pourrait permettre d'accéder à des détails plus fins de cette singularité et tester plus précisément l'accord avec les prédictions théoriques. Ces dernières mettent en particulier l’accent sur l’intérêt du comportement du bruit en présence de champ magnétique. Pour améliorer la sensibilité du système de détection nous cherchons à modifier le circuit de couplage pour obtenir une finesse spectrale de détection plus importante tout en conservant voire augmentant la force du couplage entre la source de bruit et le détecteur. Différents types de circuit sont à l’étude et sont actuellement testés à basse température.

[1] J. Basset, A. Kasumov, C. P. Moca, G. Zarand, P. Simon, H. Bouchiat, R. Deblock, Phys. Rev. Lett. 108, 046802 (2012).
[2] D.-J. Choi, M. V. Rastei, P. Simon, L. Limot, Phys. Rev. Lett. 108, 266803 (2012).
[3] J.-S. Lim, R. Lopez, L. Limot, P. Simon, L. Limot, Phys. Rev. B 88, 165403 (2013)
[4] Julien Basset, Hélène Bouchiat, Richard Deblock, Phys.Rev.B 85, 085435 (2012).
[5] C. P. Moca, P. Simon, C.-H. Chung, G. Zarand, arXiv:1312.4686

Les développements récents dans la fabrication et la manière d’opérer des systèmes nanoélectroniques de quelques centaines d’Angstrœm voire moins, sont susceptibles d’affecter les technologies futures et de servir de brique élémentaire pour le stockage de l’information, le calcul quantique ou la manipulation de spin. Comprendre comment ces systèmes nanométriques opèrent représente un défi majeur pour la physique théorique et expérimentale. Pour atteindre ce but, il apparaît d’abord nécessaire d’appréhender les mécanismes fondamentaux qui gouvernent leur comportement and donc de développer une théorie précise du transport et des corrélations à l’échelle atomique et dans les systèmes mésoscopiques. Plus spécifiquement, afin de trouver des méthodes efficaces pour manipuler et contrôler les courants de spin, nous devons connaitre les processus microscopiques qui mènent à la relaxation et à la décohérence de spin ainsi que le rôle joué par les interactions.

Dans ce projet, notre objectif est de comprendre le transport en dehors de l’équilibre dans les systèmes mésoscopiques corrélés. Pour atteindre ce but, nous nous proposons d’utiliser l’expertise de deux partenaires de recherche. Le premier, le laboratoire de physique des solides à Orsay, comprend deux équipes, l’une théorique dirigée par Pascal Simon l’autres expérimentale dirigés par Richard Deblock. Le deuxième partenaire, l’université d’Oradea en Roumanie comprend une équipe théorique dirigée par Catalin Pascu Moca.
Nous prévoyons d’étudier le transport loin de l’équilibre dans les systèmes mésoscopiques en présence d’interactions fortes en combinant des méthodes puissantes de théorie quantiques des champs et d’analyse numérique avec une approche expérimentale permettant de tester les prédictions théoriques. Nos groupes de recherche vont développer de nouvelles méthodes théoriques pour appréhender le transport de charge et de spin loin de l’équilibre dans ces systèmes nanométriques. Plus précisément, nous planifions de construire une approche de groupe renormalisation en temps réel et de l’utiliser pour analyser le comportement en fréquence de diverses quantités physiques caractérisant le transport en dehors de l’équilibre. Nous avons entre-autres en tête une analyse détaillée de
la conductance ac de spin et de charge, des processus de diffusion, des processus de relaxation et bien d’autres propriétés de transport. Nous allons aussi étudier le problème du «quench» quantique dans les systèmes corrélés de type Kondo, c’est-à-dire l’implication sur le transport et les fonctions de réponse d’une variation brutale d’un des paramètres de l’hamiltonien. Pour atteindre cet objectif, nous comptons porter un projet ambitieux en étendant notre code actuel de groupe de renormalisation numérique, le code «Flexible-DMNRG», en incorporant les processus dépendant du temps.
Sur le plan expérimental, nous planifions la fabrication de détecteurs quantiques pour les mesures du bruit à fréquence finie dans les boîtes quantiques en régime Kondo fabriquées à partir de nanotube de carbone. Le problème du «quench» quantique sera également analysé expérimentalement à l’aide de sondes de tension pulsées. Cela nous permettra d’enregistrer différentes quantités comme la conductance ou le bruit après une variation subite d’un des paramètres du système.
Nous pensons que notre approche est optimale pour attaquer ces problèmes de dynamique en temps réel et que la complémentarité entre théorie et expérience est une des forces du présent projet. Plus précisément, les avancées expérimentales motiveront et guideront les développements théoriques tout au long de ce projet.