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Scalability in the fabrication and operation of quantum computers is key to move beyondthe NISQ era. So far, superconducting transmon qubits based on aluminum Josephson tunnel junctions have demonstrated the most advanced results, though this technologyis difficult to implement with large-scale facilities. An alternative “gatemon” qubit has recently appeared, which uses hybrid superconducting/semiconducting (S/Sm) devices as gate-tuned Josephson junctions. Current implementations of these use nanowires however, of which the large-scale fabrication has not yet matured either. A scalable gatemon design could be made with CMOS Josephson Field-Effect Transistors as tunableweak link, where an ideal device has leads with a large superconducting gap that contacta short channel through high-transparency interfaces. High transparency, or low contact resistance, is achieved in the microelectronics industry with silicides, of which some turnout to be superconducting. The first part of the experimental work in this thesis covers material studies on two such materials: V3Si and PtSi, which are interesting for their high Tc, and mature integration, respectively. The second part covers experimental results on 50nm gate length PtSi transistors, where the transparency of the S/Sm interfaces is modulated by the gate voltage. At low voltages, the transport shows no conductance at low energy, and well-defined features at the superconducting gap. The barrier height at the S/Sm interface is reduced by increasing the gate voltage, until a zero-bias peak appears around zero drain voltage, which reveals the appearance of an Andreev current.The successful gate modulation of Andreev current in a silicon-based transistor represents a step towards fully CMOS-integrated superconducting quantum computers., L’évolution de la fabrication et l’exploitation des ordinateurs quantiques est essentielle pour dépasser l’ère NISQ. Jusqu’à présent, les qubits transmon supraconducteurs basés sur des jonctions tunnel Josephson en aluminium ont donné les résultats les plus avancés, bien que cette technologie soit difficile à mettre en oeuvre dans des installations à grande échelle.Un autre qubit "gatemon" est apparu récemment, qui utilise des dispositifs hybrides supraconducteurs/semiconducteurs (S/Sm) comme jonctions Josephson accordées par un contrôle électrostatique. Cependant, les implémentations actuelles de ces dispositifs utilisent des nanofils, dont la fabrication à grande échelle n’a pas encore atteint sa maturité. Une conception évolutive de gatemon pourrait être réalisée avec des transistors à effet de champ Josephson CMOS comme lien faible accordable, où un dispositif idéal est constitué de réservoirs supraconducteurs qui contactent un canal court par des interfaces à haute transparence. Une transparence élevée, ou une faible résistance de contact,est obtenue dans l’industrie de la microélectronique avec des siliciures, dont certains s’avèrent être supraconducteurs. La première partie du travail expérimental de cette thèse couvre les études de matériaux sur deux de ces matériaux : V3Si et PtSi, qui sont intéressants pour leur Tc élevé, et leur intégration mature. La deuxième partie couvre des résultats expérimentaux sur des transistors PtSi de longueur de grille 50nm, où la transparence des interfaces S/Sm est modulée par la tension de grille. A basse tension,le transport ne montre aucune conductance à basse énergie, et des pics de cohérence bien définis au niveau du gap supraconducteur. La hauteur de la barrière à l’interfaceS/Sm est réduite en augmentant la tension de grille, jusqu’à ce qu’un pic de conductance apparaisse autour d’une tension de drain nulle, ce qui révèle l’apparition d’un courant d’Andreev. La modulation du courant d’Andreev par une grille dans un transistor à base de silicium, représente une étape vers des ordinateurs quantiques supraconducteurs entièrement intégrés en CMOS.

In this habilitation thesis I summarize about 9-10 years of research that I either personally carried out or directed, or to which I actively took part through joint projects with direct colleagues. My topics of research deal with the electronic properties of quantum materials and their nanostructures. This includes mostly superconducting and correlated systems. Through this period of time, I was also interested in several aspects of mesoscopic physics. Using scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS), we access both the topography of the surface of the material under study and its local electronic energy-resolved properties, at the atomic scale. We thus obtain a real mapping of the local electronic density-of-states (LDOS) of a material for energies close to the Fermi energy, and we observe its evolution as a function of composition, nanostructuring, temperature, or applied magnetic field. In some cases we can also carry out electronic transport measurements in-situ. State-of-the-art experiments are carried out under increasingly extreme conditions combining: ultrahigh vacuum (UHV, 10-11 mbar), very low temperature (down to 300 mK) and strong magnetic field (up to 10 Tesla). These stringent conditions are actually mandatory to study quantum physics using surface sensitive tools, since the LDOS of metallic/superconducting materials is highly dependent of the amount and nature of the impurities present in the material. Our samples are grown in-situ under UHV in a preparation chamber coupled to the microscope, or cleaved in this same chamber for bulk materials. A very strong point of our team is to develop and build our own experimental devices. This allows us to explore the quantum world in experimental conditions that are only beginning to be accessible to commercial devices.

This thesis discusses the hybridization of Andreev bound states in a system of two closely spaced Josephson junctions, an "Andreev molecule". Devices incorporating Andreev molecules are predicted to have an energy spectrum with avoided crossings and a non-conventional current-phase relation. The first part is a theoretical analysis of Andreev Molecule. Two microscopic mechanisms at the origin of the hybridization of Andreev bound states are explained. Furthermore, electrical characteristics of a molecule in multiple circuit configurations are calculated using different theoretical frameworks. In the second part measurements of a circuit made up of two Josephson junctions in close proximity to each other are presented. Although possible signs of hybridization are detected, due to the presence of noise and insufficiently small junction separation, the results are inconclusive. In the third part technical details of device fabrication and the measurement setup, including a millikelvin DC cryogenic amplifier, are described., Cette thèse traite de l’hybridation des états liés d’Andreev dans un système formé de deux jonctions Josephson contiguës, une "molécule d’Andreev". Il est prédit que les dispositifs incorporant des molécules d’Andreev ont un spectre d’énergie avec des anticroisements et une relation courant-phase non conventionnelle. La première partie est une analyse théorique de la molécule d’Andreev. Les deux mécanismes microscopiques à l’origine de l’hybridation des états liés d’Andreev y sont décrits. De plus, les caractéristiques électriques d’une molécule dans des configurations de circuits multiples y sont calculées à l’aide de différents cadres théoriques. Dans la deuxième partie sont présentées des mesures d’un circuit constitué de deux jonctions Josephson très proches l’une de l’autre. Bien que des signes possibles d’hybridation soient détectés, en raison de la présence de bruit et d’une séparation des jonctions trop faible, les résultats ne sont pas concluants. Dans la troisième partie sont décrits les détails techniques de la fabrication de l’appareil et du dispositif de mesure, y compris l’utilisation à des millikelvins d’un amplificateur DC cryogénique.

The manuscript describes my research activities on quantum transport in electronic devices using an experimental technique called Scanning Gate Microscopy (SGM). This technique provides spatial information on electron density and electron flow in buried two-dimensional electron gases (2DEG) or to modify these quantities at specific positions in the 2DEG. We investigate III/V semiconductor heterostructures, such as GaAs/AlGaAs or InGaAs/InAlAs, which host 2DEGs with high electron mobility. At low temperature, the elastic mean free path is several microns and the electron transport is fully ballistic in nano-scale devices patterned by electron beam lithography. Since the transport is also phase coherent and the electron wavelength is large, quantum effects are observable and can be studied in various nanostructures forming constrictions, rings, cavities, etc... These effects are usually probed by transport or optical spectroscopy which give mainly access to the energy levels. The spatial distribution of the quantum states, however, cannot be observed directly in these buried nanostructures, as opposed to surface electronic systems where scanning tunneling microscopy can measure the local density of states. The aim of the SGM technique is thus to probe indirectly this spatial distribution by recording the effect of a local electrostatic perturbation on the transport properties of the nanostructure. The sharp tip of an atomic force microscope is used as a local gate which is scanned above the surface. The voltage applied on the tip with respect to the 2DEG induces a local change of the electrostatic potential in the 2DEG, affecting the electron states, and thus the device conductance if these states are involved in the conduction path. With this technique, the dream would be to image directly the wave function in any kind of nanostructure, but the resolution is unfortunately limited by the relatively large distance between the tip and the 2DEG, which is buried several tens of nanometers below the surface. On the other hand, the SGM technique provides very detailed images of conductance changes, with very fine features, because the quantum states are very sensitive to the potential landscape and thus to very small displacements of the tip.In my habilitation thesis, I first describe in details the SGM technique, then review the various experiments that we have done, and finally present a few research projects that are currently developed, or will be studied in the future, in particular on the Kondo effect in quantum dots and on the negative refraction in graphene.

Plasma membrane forms a selective barrier for the cell, yet its role goes far beyond a simple frontier. Indeed, it plays a crucial role in biological functions such as endo and exocytosis, cell communication or adhesion. It is now widely agreed that membrane lipid and protein spatial repartition is not homogeneous but that these components are organized into nanodomains, which have proven to be key players in the above-mentioned biological functions. Combining statistical physics analytical tools and numerical simulations, we propose in this work a physical mechanism for this membrane organization in a simple model bicomponent vesicle. At the mesoscale, we describe the membrane with a composition- curvature coupling mechanism. We perform extensive Monte Carlo simulations for different membrane parameters (concentration, spontaneous curvature, mixture affinity, surface tension) and study its equilibrium states. We characterize the range of parameters leading to phase modulations by drawing phase diagrams from the simulation results and compare them to the ones previously obtained by analytical field-theoretic techniques. Different observables are computed such as correlation functions and domain size distributions to extract information about the emerging membrane patterns, such as their typical shape, size or spacing. With respect to domain shape, we analyse experimental membrane protein (HIV receptors) trajectories to quantify domain shape and compare it to our simulations. In order to propose a valid rationale for membrane structuring at different scales, we also perform coarse-grained molecular dynamics simulations (MARTINI) of lipid bilayers including curvature-generating components from which we extract the physical membrane parameters that can be plugged into the mesoscale model. We extend our mesoscale model by studying the effect of applied forces to the vesicle, inspired by cell division process during which membrane components reorganize and such forces are at play.; La membrane plasmique forme une barrière sélective pour la cellule, mais son rôle va bien au-delà d'une simple frontière. En effet, elle joue un rôle crucial dans les fonctions biologiques telles que l'endo et l'exocytose, la communication cellulaire ou l'adhésion. Il est actuellement largement admis que la répartition spatiale des lipides et des protéines membranaires n'est pas homogène mais que ces composants sont organises en nanodomaines, qui se sont avéres être des acteurs clés des fonctions biologiques susmentionnées. Combinant des outils analytiques de physique statistique et des simulations numériques, nous proposons dans ce travail un mécanisme physique pour cette organisation membranaire dans un modèle simple de vésicule biphasique. À l'échelle mésoscopique, nous décrivons la membrane avec un mécanisme de couplage composition-courbure. Nous réalisons des simulations Monte Carlo extensives pour différents paramètres de la membrane (concentration, courbure spontanée, affinité du mélange, tension de surface) et étudions ses états d'équilibre. Nous caractérisons la gamme de paramètres conduisant à des modulations de phases en dressant des diagrammes de phases à partir des résultats numériques et les comparons à ceux obtenus précédemment par les techniques analytiques de la théorie des champs. Différentes observables sont mesurées telles que les fonctions de corrélation et les distributions de taille de domaines pour extraire des informations sur les structures membranaires émergentes, telles que leur forme, leur taille ou leur espacement typique. En ce qui concerne la forme des domaines, nous analysons les trajectoires expérimentales de protéines membranaires (récepteurs au VIH) pour quantifier la forme des domaines et la comparer à nos simulations. Afin de proposer un mécanisme pour la structuration de la membrane pertinent à différents échelles, nous effectuons également des simulations de dynamique moléculaire gros-grains (MARTINI) de bicouches lipidiques, incluant des composants générateurs de courbure, à partir desquelles nous extrayons les paramètres physiques membranaires qui peuvent être injectes dans le modèle mésoscopique. Nous étendons notre modèle mésoscopique en étudiant l'effet de forces appliquées à la vésicule, inspires par le processus de division cellulaire au cours duquel les composants de la membrane se réorganisent et de telles forces sont en jeu.

In a mesoscopic superconducting device, weak quasiparticle-quasiparticle interactions and slow spinrelaxation at low temperatures makes it possible to preserve phase coherence over the whole sampleand artificially modify distribution functions, driving them far from equilibrium. Partly because ofthis, superconductors can become magnetic or a normal metals superconducting. To induce thesetransformations we fabricated hybrid devices where the superconductor is in contact with normalmetals or experiences a Zeeman magnetic field, using e-beam lithography and thin film deposition.We studied charge, spin and energy transport in diffusive superconductors through their spectralproperties and distribution functions in three different experiments.1. Spectroscopy of out-of-equilibrium quasiparticles. The Zeeman splitting of their density of states insuperconducting aluminium makes the injection of spin-polarised quasiparticles possible. Aluminumthus acquires a non-equilibrium magnetization. By measuring non-linear current-voltagecharacteristics of detectors placed at different distances from the injection point, we obtain energy-resolved and spin-sensitive information on the number of low-energy quasiparticles. If the detectoris located at a distance less than the spin-flip relaxation and injection site energy relaxation time, weobserve that the quasiparticle distribution function depends on the spin and is non-Fermi-Dirac. Weshow that the energy flow associated with the injection current is also spin-dependent. Astheoretically expected, the Zeeman splitting breaks the spin degeneracy of the energy excitationmode.2. Out-of-equilibrium Josephson emission. A normal metal in contact with two superconductors becomessuperconducting through the proximity effect; Andreev bound states carry supercurrents throughthe normal metal. By measuring the AC Josephson emission around 6 GHz, we probe higher orderFourier components of the current-phase relation (CPR). We have experimentally identified a non-adiabatic regime in which the CPR is modified by high-frequency microwave radiation. Thisobservation is explained by the excitation of quasiparticles in the normal metal by the high-frequency electromagnetic field. The CPR distortion results from the non-equilibrium quasiparticledistribution functions in the normal metal, which depend on the phase difference across thejunction and modifies the spectral current. For a phase difference close to π, transitions across themini-gap are dynamically preferred, which leads to a reduction of the supercurrent. Our results agreewell with the quasiclassical theory of superconductivity.; Dans un dispositif supraconducteur de taille mésoscopique la faible interaction entre quasi-particuleset le faible taux de relaxation de spin à basse température permet de préserver la cohérence de phasesur la taille de l’échantillon et de modifier artificiellement les fonctions de distribution, pour lesporter loin de l’équilibre. Ainsi un supraconducteur peut devenir magnétique ou un métal normalsupraconducteur. Pour opérer de telles transformations nous avons réalisé des dispositifs hybridesoù le supraconducteur est en contact avec des métaux normaux ou sous champ magnétique Zeeman.Nous avons utilisé la lithographie électronique et le dépôt en couche minces pour préparer dedispositifs hybrides métalliques et nous avons étudié le transport de charge, spin et énergie dans dessupraconducteurs diffusifs par le biais des propriétés spectrales et des fonctions de distributions. Ace fin nous avons réalisé trois expériences.1. Spectroscopie des quasi-particules hors-équilibre. Grâce au splitting Zeeman de la densité d’étatssupraconductrice de l’Aluminium, il est possible d’injecter un courant de quasi-particules polariséesen spin. L’Aluminium acquière ainsi une aimantation hors-équilibre. Par la mesure de lacaractéristique non-linéaire courant-tension de détecteurs positionnés à différentes distances dupoint d’injection, nous réalisons une mesure résolue en énergie et sensible au spin du nombre dequasi-particules de basse énergie injectées. Si le détecteur est situé à une distance inférieure à lalongueur de relaxation de spin-flip et de relaxation de l’énergie du point d'injection, nous observonsque la fonction de distribution des quasi-particules dépend du spin et ne sont pas Fermi-Dirac. Nousmontrons ainsi que le flux d’énergie associé au courant d’injection est aussi dépendant du spin.Comme attendu théoriquement, le splitting Zeeman brise la dégénerescence de spin du mode hors-équilibre d’énergie.2. Emission Josephson hors-équilibre. Dans une jonction superconductor–normal metal–superconductor,le métal normal devient supraconducteur par effet de proximité avec le supraconducteur et les étatsliés d’Andreev dans le métal normal transportent le supercourant. En mesurant l’émissionJosephson-ac autour de la fréquence de 6 GHz, on accède au contenu harmonique de la relationcourant-phase (CPR). Nous avons expérimentalement identifié un régime non adiabatique danslequel la CPR est modifiée par irradiation micro-ondes à haute fréquence. Cette observations’explique par l’excitation de quasi-particules dans le métal normal induite par le champélectromagnétique haute fréquence. La distorsion du CPR provient de la fonction de distributionhors équilibre dans le métal normal qui dépend de la différence de phase à travers la jonction etmodifie le courant spectral. Pour une différence de phase qui s’approche de π, les transitions àtravers le mini-gap sont favorisées de manière dynamique, ce qui conduit à une réduction dusupercourant. Cette constatation est corroborée par une comparaison avec la théorie quasi-classiquede la supraconductivité.

In this work, we present the new experimental methods that we have developed in order to investigate the fundamental physics of electronic transport across mesoscopic conductors based on the measurement of electrical fluctuations. In the first part of the thesis we present a novel design of a back-action free quantum detector to separately measure the power spectral density of current fluctuations for positive (absorption noise) and negative (emission noise) frequencies. We extract the absorption and emission noise from a measurement of the power exchanged between a quantum conductor and a finite frequency linear resonator, tested for a SIS junction coupled to a cavity filter. Our results stress the physical meaning of the Kubo formula which, coupled to a quantum description of the measurement setup, provides a quantum version of Joule’s theorem. In the second part of the thesis, we present the design and construction of an experimental platform for time dependant RF-measurements in high magnetic fields. The goal is to efficiently measure a quantum conductor that gives rise to a detection back-action on its transport properties, known as Dynamical Coulomb Blockade (DCB). We wish to investigate such effects in the elementary case of a single conduction channel, with arbitrary transmission, interacting with a single electromagnetic mode. The main challenge is the engineering of high impedance RF resonators used as impedance transformer to efficiently couple the high impedance single channel (25.8 kΩ) to the mismatched 50 Ω RF-detection equipment. For our setup we have firstly designed and tested a magnetic field tolerant resonator, a planar metallic coil, that provides a characteristic impedance of 1 kΩ at a resonance frequency of 5.4 GHz. Using two resonators in series, an effective detection impedance of 27 kΩ is achievable that provides sufficient coupling to a single channel. With all the methodologies developed in this thesis, it is now possible to perform an amazing series of various experiments in the near future., Dans ce travail, nous présentons les nouvelles méthodes expérimentales que nous avons développées afin d’étudier la physique fondamentale du transport électronique à travers des conducteurs mésoscopiques en se basant sur la mesure des fluctuations électriques. Dans la première partie de la thèse, nous présentons une nouvelle conception d’un détecteur quantique sans rétroaction pour mesurer séparément la densité spectrale de puissance des fluctuations de courant pour les fréquences positives (bruit d’absorption) et négatives (bruit d’émission). Nous extrayons le bruit d’absorption et d’émission d’une mesure de la puissance échangée entre un conducteur quantique et un résonateur linéaire à fréquence finie, testé pour une jonction SIS couplée à un filtre à cavité. Nos résultats soulignent la signification physique de la formule de Kubo qui, couplée à une description quantique du dispositif de mesure, fournit une version quantique du théorème de Joule. Dans la deuxième partie de la thèse, nous présentons la conception et la construction d’une plate-forme expérimentale pour les mesures RF dépendantes du temps dans les champs magnétiques élevés. L’objectif est de mesurer efficacement un conducteur quantique qui donne lieu à une contre-action de détection sur ses propriétés de transport, connue sous le nom de Blocage de Coulomb Dynamique (DCB). Nous souhaitons étudier de tels effets dans le cas élémentaire d’un canal de conduction unique, avec une transmission arbitraire, interagissant avec un mode électromagnétique unique. Le principal défi consiste à concevoir des résonateurs RF à haute impédance utilisés comme transformateur d’impédance pour coupler efficacement le canal unique à haute impédance (25,8 kΩ) à l’équipement de détection RF désadapté de 50 Ω. Pour notre installation, nous avons d’abord conçu et testé un résonateur tolérant aux champs magnétiques, une bobine métallique plane, qui fournit une impédance caractéristique de 1 kΩ à une fréquence de résonance de 5,4 GHz. En utilisant deux résonateurs en série, il est possible d’obtenir une impédance de détection efficace de 27 kΩ qui assure un couplage suffisant à un seul canal. Avec toutes les méthodologies développées dans cette thèse, il est maintenant possible de réaliser une série remarquable d’expériences diverses dans un futur proche.

Following the technological advances of the Industrial Revolution, classical thermodynamics was developed in the 19th century in order to understand the conversion of heat into work in newly designed machines. The works of Boltzmann brought another conceptual revolution with statistical mechanics. He demonstrated the microscopical origin of the laws of thermodynamics which actually only describe the macroscopic behaviour of systems in which local thermalization is faster than all other timescales. However, following the growing interest for nanotechnologies, it is now possible to manipulate microscopic systems in which thermalization is slower than the timescales for electron flow. A major technological advance in this field stems from the use of quantum dots, nanoscale devices which confine electrons on such small scales that they spread on discrete energy levels. It is then essential to take into account quantum effects for the study of this type of systems, that is to say to design theoretical tools combining thermodynamics and quantum mechanics.Problems of quantum thermodynamics are often tackled in the framework of the theory of open quantum systems. The general idea of this formalism is to study the dynamics of a “small” quantum system when it is coupled to another much bigger representing the environment. One can then show that the time evolution of the small system can be described by a master equation in the limit where it is weakly coupled to the environment. However, it intuitively seems that the power output of machine would be higher in the context of strong coupling.For problems of electronic transport, the Landauer-Büttiker formalism allows to describe the strong-coupling regime. In this framework, electrons are assumed to solely undergo elastic scattering processes in the central system. All the thermoelectric properties of the machine can then be characterized thanks to the transmission properties of the scatterer. However, this formalism has an important limitation; it ignores the band structure of the reservoirs.Here we have chosen to adopt a different viewpoint to tackle the strong-coupling regime by studying an exactly soluble model. We therefore analyze the Fano-Anderson model describing a discrete level coupled to a continuum. We are particularly interested by the influence of the reservoirs’ band structure. One can indeed show that, under certain conditions, discrete bound states appear in the band gaps of the reservoirs. This state play an important rôle on the dynamics of the discrete at long times: their contribution depends on the initial preparation of the system and gives rise to persistent oscillations of the occupation of the discrete level.We start by deriving the exact solution of the model especially focusing on its long-time behaviour. We then analyze two special cases. First, we study the transport properties of a single-level quantum dot coupled to a semiconductor with single a band gap. A bound state appears in this gap when the coupling to the reservoir exceeds a critical value. We show that this greatly affects the transport properties of the device. We then study the case of reservoirs described by a tight-binding model which density of states consists of a single finite-range energy band. We show that a discrete level coupled to such reservoir behaves like a many-level system as its local density of states and transmission function exhibits multiple resonances.; Suivant les progrès technologiques de la révolution industrielle, la thermodynamique classique a été développée au XIXème siècle dans le but de comprendre la conversion de la chaleur en travail intervenant dans les machines thermiques nouvellement élaborées. Les travaux de Boltzmann apportèrent une autre révolution conceptuelle avec la physique statistique. Il démontra l’origine microscopique des lois de la thermodynamique, celles-ci ne décrivant en fait que le comportement macroscopique de systèmes pour lesquels la thermalisation locale est plus rapide que toutes les autres échelles de temps. Cependant, conséquemment à l’intérêt grandissant pour les nanotechnologies, il est aujourd’hui possible de manipuler des systèmes microscopiques pour lesquels la thermalisation est plus lente que les échelles de temps associés aux flux d’électrons. Une avancée technologique majeure dans ce domaine provient de l’utilisation de boîtes quantiques, des dispositifs nanométriques permettant de confiner les électrons sur des distances si petites qu’ils se répartissent sur des niveaux d’énergie discrets. Il est alors évidemment indispensable de prendre en compte les effets quantiques pour l’étude de ce type de systèmes, c’est-à-dire de concevoir des outils théoriques alliant thermodynamique et mécanique quantique.Les problèmes de thermodynamique quantique sont souvent abordés dans le cadre de la théorie des systèmes quantiques ouverts. L’idée générale de ce formalisme est d’étudier la dynamique d’un « petit » système quantique lorsqu’il est couplé à un autre système supposé bien plus « gros » et représentant l’environnement. On démontre alors que l’évolution temporelle du petit système peut être décrite par une équation maîtresse dans la limite où il est faiblement couplé à l’environnement. Cependant, il semble intuitivement qu’une machine pourra délivrer une puissance plus importante dans un contexte de fort couplage-Pour les problèmes de transport électronique, le formalisme de Landauer-Büttiker permet de décrire le régime de fort couplage. Dans ce cadre, les électrons sont supposés ne subir que des processus de diffusion élastique dans le système central. Toutes les propriétés thermoélectriques de la machine peuvent alors être caractérisées grâce aux propriétés de transmission du diffuseur. Cependant, ce formalisme souffre aussi d’une importante limitation, la structure de bandes des réservoirs étant ignorée.Ici nous avons choisi d’adopter un point de vue différent pour aborder le régime de fort couplage en étudiant un modèle exactement résoluble. Nous analysons donc le modèle de Fano-Anderson décrivant un niveau discret couplé à un continuum. Nous nous intéressons particulièrement à l’influence de la densité d’états des réservoirs. On démontre en effet que, sous certaines conditions, des états liés discrets apparaissent dans les bandes interdites des réservoirs. Ces états jouent un rôle prépondérant sur la dynamique du niveau discret à temps longs : leur contribution dépend de la préparation initiale du système et peut donner lieu à des oscillations permanentes de l’occupation du niveau discret.Nous commençons par expliciter la solution exacte du modèle en nous concentrant particulièrement son comportement à temps longs. Nous analysons ensuite deux cas particuliers. En premier lieu, nous nous intéressons aux propriétés de transport d’une boîte quantique à un niveau couplée à un semi-conducteur présentant une unique bande interdite. Un état lié apparaît dans cette bande lorsque le couplage au réservoir dépasse une valeur critique ce qui affecte fortement les propriétés de transport du système. Nous étudions ensuite le cas de réservoirs décrit par un modèle de liaisons fortes dont la densité d’états ne comporte qu’une bande finie d’énergie. Nous montrons qu’un niveau discret couplé à un tel réservoir se comporte comme un système à plusieurs niveaux, sa densité d’états locale et sa transmission présentant de multiples résonances.

We investigate the interplay of the pairing state in conventional superconductors (S) and spin-active fields. In conventional S electrons with opposite momenta and spins bind into so-called Cooper pairs. The pair correlations penetrate normal conducting materials (N) on the length scale of the superconducting coherence length, what is known as the proximity effect. The proximity effect gives rise to interesting phase coherent phenomena that are strongly modified in the presence of spin active fields. For example it is strongly suppressed in a ferromagnet (F), which prefers a parallel spins of the electrons and counters the conventional pairing mechanism. A prominent manifestation of the proximity effect is the Josephson effect, where the phase difference between the macroscopic wavefunctions of two spatially separated S leads to a non dissipative current at zero voltage.We consider the Josephson effect in a junctions involving spin splitted S, where the orientation of the exchange field can be controlled individually in both S. In such junctions, when the fields are oriented antiparallely, it is possible to increase the critical current by increasing the magnitude of the exchange fields. This is a counter intuitive result considering the pair breaking nature of the fields. The formation of the Andreev bound states (ABS) has not been investigated so far. We analyze the spectral properties of this junction and show that for collinear orientations of the fields, any deviation from the case of equal fields leads to finite intervals of phases without ABS. In general the spectral composition of the current is found to be a superposition of the contributions from the ABS and the continuous spectrum and strongly depends on the transmissivity of the junction.The suppression of the proximity effect in magnetic heterostructures can be avoided by generating triplet components of the pair correlations with spin projections perpendicular to the field, so-called long range triplet correlations (LRTC). LRTCs can be generated due to the presence of spin-orbit coupling (SOC) and a homogeneous exchange field, what has not been confirmed experimentally yet. We propose favorable junction setups to observe the LRTCs and calculate the Josephson current considering two common types of SOC, that result in spin precession and anisotropic spin relaxation effects. The contributions to the current from the effects depend on the orientation of the exchange field and their competition leads to current reversal scenarios which represent a signature of the LRTCs.We then turn to another equilibrium phenomenon, namely equilibrium spin currents (ESC). We show that in a nanowire with SOC, breaking the time-reversal symmetry by a Zeeman field leads to a bulk equilibrium spin current which manifests itself in a sizable edge spin polarization, transverse to the Zeeman field. This property occurs in both, the normal and superconducting state, independently of the degree of disorder. The transverse edge spin polarization is strongly enhanced in the superconducting state when the Zeeman energy is of the order of the induced superconducting gap. This leads to a unknown transverse magnetic susceptibility that can be much larger than the known longitudinal one.At the end of the thesis, we investigate electronic transport in heterostructures of the recently discovered Weyl semimetals (WSM). This material class exhibits a pseudo-relativistic dispersion around so-called Weyl points in the Brillouin zone, that are characterized by their chirality in the low-energy limit. We discovered a interesting chiral filtering effect when interfacing two distinct WSMs, if the Weyl nodes on each side of the interface are separated in energy and momentum space. We calculate the differential conductance across the interface and identify the regimes where it is possible to achieve transport of one, none, or both chiralities., Nous avons considéré la compétition entre la supraconductivité conventionnelle (S) et les champs agissant sur le spin, comme l'effet Zeeman et le couplage spin-orbite. Dans un supraconducteur conventionnel, les électrons de spins et d'impulsions opposés forment des paires de Cooper. Par effet de proximité, les correlations de paire pénètrent dans des conducteurs dans l'état normal (N) sur une longueur typique. Cet effet de proximité donne lieu à des phénomènes cohérents de phase qui sont très fortement modifiés en présence de correlations ferromagnétiques (F) ou de fort couplage spin-orbite. Par exemple, l'effet de proximité est très fortement réduit dans un matériau ferromagnétique qui favorisera un alignement des spins dans une direction commune, contrairement à l'appariement singulet de spin de la supraconductivité. Un autre effet important est l'effet Josephson qui consiste en un courant non dissipatif de paires de Cooper entre deux supraconducteurs séparés par un lien faible.Nous avons étudié l'effet Josephson dans une jonction entre deux supraconducteurs avec champs d'échange. Nous supposons que l'orientation dun champ d'échange peut être controlé individuellement dans chaque électrode supraconductrice. Quand les champs d'échange sont antiparallèles, nous avons trouvé qu'il est possible d'augmenter le courant Josephson critique en augmentant la norme de ces champs d'échange antiparallèles, ce qui paraissait contre-intuitif au départ. Les états liés d'Andreev (ELA) n'avaient pas été étudiés en détail dans ce type de jonctions. Nous avons donc analysé leurs propriétés spectrales, et démontré que pour des champs d'échange de même sens, on a généralement la suppression des ELA pour certains intervalles de la différence de phase supraconductrice. En général, le courant Josephson est porté en partie par les ELA et en partie par le continuum des états d'énergie au dessus du gap.La suppression de l'effet de proximité supraconducteur dans les hétérojonctions magnétiques peut être évitée en générant des composantes triplet des correlations de paire ayant des projections de spin orthogonales au champ. En théorie, ces corrélations triplet à longue portée (CTLP) peuvent être engendrées par la présence simultanée de couplage spin-orbite (CSO) et d'un champ d'échange uniforme, mais cela n'a pas encore été confirmé expérimentalement. Nous proposons des designs de jonctions favorables pourmettre en évidence ces CTLP, et nous calculons le courant Josephson pour deux types de CSO.Nous nous sommes aussi intéressés aux courants de spin d'équilibre dans des nanofils normaux et supraconducteurs. Dans un nanofil en présence de couplages spin-orbite et Zeeman, nous montrons que des courants de spin à l'équilibre conduisent à des accumulations de spin aux extrémités du fil. Cette propriété existe à la fois dans l'état normal et l'état supraconducteur, indépendamment du degré de désordre. Cette polarisation de spin transverse augmente fortement dans l'état supraconducteur quand le couplage Zeeman est de l'ordre de grandeur du gap supraconducteur, conduisant à une susceptibilité transverse bien supérieure à la susceptibilité longitudinale.Dans le dernier chapitre de la thèse, nous étudions le transport électronique dans des hétérostructures de semimétaux de Weyl. Cette classe de matériaux a une dispersion relativiste autour de points de Weyl caractérisée par une chiralité bien définie à basse énergie. Nous avons découvert un effet de filtre de chiralité à l'interface de deux semimétaux de Weyl, qui apparaît lorsque les points de Weyl de part et d'autre de l'interface sont séparés en énergie et en impulsion. Nous avons calculé la conductance différentielleà travers une telle interface et identifié les régimes de transport laissant passer i) aucune, ii) une ou bien iii) les deux chiralités.

Following the technological advances of the Industrial Revolution, classical thermodynamics was developed in the 19th century in order to understand the conversion of heat into work in newly designed machines. The works of Boltzmann brought another conceptual revolution with statistical mechanics. He demonstrated the microscopical origin of the laws of thermodynamics which actually only describe the macroscopic behaviour of systems in which local thermalization is faster than all other timescales. However, following the growing interest for nanotechnologies, it is now possible to manipulate microscopic systems in which thermalization is slower than the timescales for electron flow. A major technological advance in this field stems from the use of quantum dots, nanoscale devices which confine electrons on such small scales that they spread on discrete energy levels. It is then essential to take into account quantum effects for the study of this type of systems, that is to say to design theoretical tools combining thermodynamics and quantum mechanics.Problems of quantum thermodynamics are often tackled in the framework of the theory of open quantum systems. The general idea of this formalism is to study the dynamics of a “small” quantum system when it is coupled to another much bigger representing the environment. One can then show that the time evolution of the small system can be described by a master equation in the limit where it is weakly coupled to the environment. However, it intuitively seems that the power output of machine would be higher in the context of strong coupling.For problems of electronic transport, the Landauer-Büttiker formalism allows to describe the strong-coupling regime. In this framework, electrons are assumed to solely undergo elastic scattering processes in the central system. All the thermoelectric properties of the machine can then be characterized thanks to the transmission properties of the scatterer. However, this formalism has an important limitation; it ignores the band structure of the reservoirs.Here we have chosen to adopt a different viewpoint to tackle the strong-coupling regime by studying an exactly soluble model. We therefore analyze the Fano-Anderson model describing a discrete level coupled to a continuum. We are particularly interested by the influence of the reservoirs’ band structure. One can indeed show that, under certain conditions, discrete bound states appear in the band gaps of the reservoirs. This state play an important rôle on the dynamics of the discrete at long times: their contribution depends on the initial preparation of the system and gives rise to persistent oscillations of the occupation of the discrete level.We start by deriving the exact solution of the model especially focusing on its long-time behaviour. We then analyze two special cases. First, we study the transport properties of a single-level quantum dot coupled to a semiconductor with single a band gap. A bound state appears in this gap when the coupling to the reservoir exceeds a critical value. We show that this greatly affects the transport properties of the device. We then study the case of reservoirs described by a tight-binding model which density of states consists of a single finite-range energy band. We show that a discrete level coupled to such reservoir behaves like a many-level system as its local density of states and transmission function exhibits multiple resonances., Suivant les progrès technologiques de la révolution industrielle, la thermodynamique classique a été développée au XIXème siècle dans le but de comprendre la conversion de la chaleur en travail intervenant dans les machines thermiques nouvellement élaborées. Les travaux de Boltzmann apportèrent une autre révolution conceptuelle avec la physique statistique. Il démontra l’origine microscopique des lois de la thermodynamique, celles-ci ne décrivant en fait que le comportement macroscopique de systèmes pour lesquels la thermalisation locale est plus rapide que toutes les autres échelles de temps. Cependant, conséquemment à l’intérêt grandissant pour les nanotechnologies, il est aujourd’hui possible de manipuler des systèmes microscopiques pour lesquels la thermalisation est plus lente que les échelles de temps associés aux flux d’électrons. Une avancée technologique majeure dans ce domaine provient de l’utilisation de boîtes quantiques, des dispositifs nanométriques permettant de confiner les électrons sur des distances si petites qu’ils se répartissent sur des niveaux d’énergie discrets. Il est alors évidemment indispensable de prendre en compte les effets quantiques pour l’étude de ce type de systèmes, c’est-à-dire de concevoir des outils théoriques alliant thermodynamique et mécanique quantique.Les problèmes de thermodynamique quantique sont souvent abordés dans le cadre de la théorie des systèmes quantiques ouverts. L’idée générale de ce formalisme est d’étudier la dynamique d’un « petit » système quantique lorsqu’il est couplé à un autre système supposé bien plus « gros » et représentant l’environnement. On démontre alors que l’évolution temporelle du petit système peut être décrite par une équation maîtresse dans la limite où il est faiblement couplé à l’environnement. Cependant, il semble intuitivement qu’une machine pourra délivrer une puissance plus importante dans un contexte de fort couplage-Pour les problèmes de transport électronique, le formalisme de Landauer-Büttiker permet de décrire le régime de fort couplage. Dans ce cadre, les électrons sont supposés ne subir que des processus de diffusion élastique dans le système central. Toutes les propriétés thermoélectriques de la machine peuvent alors être caractérisées grâce aux propriétés de transmission du diffuseur. Cependant, ce formalisme souffre aussi d’une importante limitation, la structure de bandes des réservoirs étant ignorée.Ici nous avons choisi d’adopter un point de vue différent pour aborder le régime de fort couplage en étudiant un modèle exactement résoluble. Nous analysons donc le modèle de Fano-Anderson décrivant un niveau discret couplé à un continuum. Nous nous intéressons particulièrement à l’influence de la densité d’états des réservoirs. On démontre en effet que, sous certaines conditions, des états liés discrets apparaissent dans les bandes interdites des réservoirs. Ces états jouent un rôle prépondérant sur la dynamique du niveau discret à temps longs : leur contribution dépend de la préparation initiale du système et peut donner lieu à des oscillations permanentes de l’occupation du niveau discret.Nous commençons par expliciter la solution exacte du modèle en nous concentrant particulièrement son comportement à temps longs. Nous analysons ensuite deux cas particuliers. En premier lieu, nous nous intéressons aux propriétés de transport d’une boîte quantique à un niveau couplée à un semi-conducteur présentant une unique bande interdite. Un état lié apparaît dans cette bande lorsque le couplage au réservoir dépasse une valeur critique ce qui affecte fortement les propriétés de transport du système. Nous étudions ensuite le cas de réservoirs décrit par un modèle de liaisons fortes dont la densité d’états ne comporte qu’une bande finie d’énergie. Nous montrons qu’un niveau discret couplé à un tel réservoir se comporte comme un système à plusieurs niveaux, sa densité d’états locale et sa transmission présentant de multiples résonances.

This thesis presents a theoretical work done in the field of condensed matter physics, and in particular solid state physics. This field of physics aims at describing the behaviour of electrons in crystalline materials at very low temperature to observe effects characteristic of quantum physics at the mesoscopic scale.This thesis lies at the interface between two types of materials : graphene and topological insulators. Graphene is a monoatomic layer of carbon atoms arranged in a honeycomb lattice that presents a wide range of striking properties in optics, mechanics and electronics. Topological insulators are materials that are insulators in the bulk and conduct electricity at the edges. This characteristic originates from a topological property of the electrons in the bulk. Topology is a branch of mathematics that aims to describe objects globally retaining only characteristics invariant under smooth deformations. The edge states of topological insulators are robust to certain king of perturbations such as disorder created by impurities in the bulk. The link between these two topics is two-fold. On one hand, the first models of band topological insulators were formulated for graphene, by Haldane in 1988 and Kane and Mele in 2005, opening the way to the discovery of 2D and 3D topological insulators in materials with strong spin-orbit coupling. On the other hand, it was predicted that graphene, even without spin-orbit coupling, turns to a topological insulator under irradiation by an electromagnetic wave. In this thesis, we follow two directions in parallel : describe the topological properties on one hand, and the electronic transport properties on the other hand.First, we review the tight-binding model of graphene, and the effective model that describes low-energy electrons as massless Dirac fermions. We then introduce the Haldane model, a simple model defined on the honeycomb lattice that presents non-trivial bands characterised by a topological invariant, the Chern number. Due to this topological property, this model possesses a chiral edge state that propagates around the sample and a quantized Hall conductance. When graphene is irradiated by a laser with a frequency larger than the graphene bandwidth, it acquires a dynamical gap similar to the topological gap of the Haldane model. When the frequency is lowered, we show that topological transitions happens and that different edge states appear.The main work of this thesis is the study of electronic transport in irradiated graphene in a regime of experimentally achievable parameters. A graphene sheet is connected to two electrodes with a potential difference that generates a current. We compute the differential conductance of the sample according to Landauer-Büttiker formalism extended to periodically driven systems. Using this simple formalism, we are able to obtain the conductance as a function of the geometry of the sample and of several parameters such as the chemical potential, the frequency and the intensity of the electromagnetic wave.Another kind of topological insulator is the quantum spin Hall insulator. This type of phase possesses two edge states in which opposite spins propagate in opposite directions. The second work of this thesis concerns electronic transport through this irradiated edge state. We observe the apparition of a pumped current in the absence of a potential difference. We observe two regimes : a quantized adiabatic at low frequency, and a non-quantized linear response regime at high frequency. Compared to previous studies, we show an important effect originating from the presence of electrodes.; Cette thèse présente un travail théorique effectué dans le domaine de la physique de la matière condensée, et plus particulièrement la physique des solides. Ce domaine de la physique décrit le comportement des électrons dans les cristaux à très basses températures dans le but d'observer des effets quantiques à l'échelle mésoscopique.Cette thèse se situe à l'interface entre deux types de matériaux : le graphène et les isolants topologiques. Le graphène est une couche d’épaisseur monoatomique d’atomes de carbone arrangés en réseau nid d’abeilles, qui présente de nombreuses propriétés impressionnantes en optique, en mécanique et en électronique. Les isolants topologiques sont des matériaux qui sont isolants en volume et conduisent l'électricité sur les bords. Cette caractéristique découle d'une propriété topologique des électrons dans le volume. La topologie est une branche des mathématiques qui décrit des objets dans leur globalité en ne retenant que les caractéristiques invariantes par certaines déformations continues. Les états de bords des isolants topologiques sont robustes à certaines perturbations comme le désordre créé par des impuretés dans le matériau. Le lien entre ces deux sujets est double. D’une part les premiers modèles d’isolants topologiques de bande ont été formulés pour le graphène, par Haldane en 1988 et Kane et Mele en 2005, ouvrant ainsi la voie à la découverte des isolants topologiques à 2D et 3D dans des matériaux à fort spin-orbite. D’autre part, il a été prédit que le graphène, même sans spin-orbite, devient un isolant topologique lorsqu'il est irradié par une onde électromagnétique. Dans cette thèse, nous suivons deux directions en parallèle : décrire les caractéristiques topologiques d’une part et les propriétés de transport électronique d’autre part.En premier lieu, nous passons en revue le modèle des liaisons fortes pour le graphène, puis le modèle effectif qui décrit les électrons de basse énergie comme des fermions de Dirac sans masse. Nous introduisons ensuite le modèle de Haldane, un modèle simple défini sur le réseau en nid d’abeille et qui présente des bandes non triviales caractérisées par un invariant topologique, le nombre de Chern, non nul. Du fait de cette propriété topologique, ce modèle possède un état de bord chiral se propageant au bord de l’échantillon et une conductance de Hall quantifiée. Lorsque le graphène est irradié par un laser ayant une fréquence plus large que la largeur de bande du graphène, il acquiert un gap dynamique similaire au gap topologique du modèle de Haldane. Lorsque la fréquence est réduite, nous montrons que des transitions topologiques se produisent et l'apparition d'états de bords.Le travail principal de cette thèse est l'étude du transport électronique dans le graphène irradié dans un régime de paramètres réalisables expérimentalement. Une feuille de graphène est connectée à deux électrodes avec une différence de potentiel qui génère un courant. Nous calculons la conductance différentielle de l'échantillon selon le formalisme de Landauer-Büttiker étendu aux systèmes soumis à une modulation périodique. Il nous est possible d'obtenir la conductance en fonction de la géométrie de l’échantillon et de différents paramètres tels que le potentiel chimique, la fréquence et l'intensité de l’onde.Un autre type d'isolant topologique est l’isolant d’effet Hall quantique de spin. Ce type de phase possède deux états de bords dans lesquels les spins opposés se propagent dans des directions opposées. Le second travail de cette thèse concerne le transport électronique à travers cet état de bord irradié. Nous observons l'apparition d'un courant pompé en l'absence de différence de potentiel. Nous distinguons deux régimes : un pompage adiabatique quantifié à basse fréquence, et un régime de réponse linéaire non quantifiée à hautes fréquences. Par rapport aux études précédentes existantes, nous montrons un effet important de la présence des électrodes de mesure.

In some quantum matter states, the current may remarkably be transported by carriers that bear a fraction e* of the elementary electron charge. This is the case for the Fractional quantum Hall effect (FQHE) that happens in two-dimensional systems at low temperature under a high perpendicular magnetic field. When the number of magnetic flux in units of h/e is a fraction of the number of electron, a dissipationless current flows along the edges of the sample and is carried by anyons with fractional charge. The observation of the fractional charge is realized through small current fluctuations produced by the granularity of the charge. Here is presented a reliable method to measure the fractional charge by the mean of cross-correlation of current fluctuations. Moreover, the dynamical properties of those charges is probed when the sample is irradiated with photos at GHz frequency. The long predicted Josephson frequency of the fractional charge is measured. Those measurements validate Photoassisted processes in the FQHE and enable timedomain manipulation of fractional charges in order to realize a single anyon source based on levitons to perform tests of the anyonic statistics of fractional charge., Dans certains états quantique de la matière, le courant peut être transporté par des porteurs de charges ayant une fraction e* de la charge élementaire. C'est notamment le cas de l'Effet Hall quantique fractionnaire (EHQF) qui se produit pour des systèmes électroniques bidimensionels à basse température et soumis à un fort champ magnetique perpendiculaire. Quand le nombre de quantum de flux en unité h/e est une fraction du nombre d'électrons, le courant se propage le long des bords de l'échantillon sans dissipation. Les porteurs de charges impliqués dans le transport portent une charge fractionnaire. La mise en évidence de ces charges peut être faite via les faibles fluctuations de courant dûes à la granularité de la charge. Nous présentons ici une méthode fiable de mesure de la charge fractionnaire basée sur des correlations croisées de fluctuations de courant. La dynamique de ces charges fractionnaires lorsque l'échantillon est irradié avec des photons GHz est étudiée, permettant la mesure de la fréquence Josephson des charges fractionnaires. Ces mesures valident les processus photo-assisté en régime d'EHQF et permettent une manipulation résolue en temps des charges fractionnaires, dans le but de réaliser une source d'anyon sur le principe du léviton afin de réaliser des tests de la statistique anyonique de ces charges fractionnaires.

Responsable: Çağlar Girit Recherche L’ingénieur quantique peut de nous jours concevoir et fabriquer des circuits mésoscopiques basés sur différentes briques élémentaires – boîtes quantiques, aimants moléculaires, nanofils, liens faibles supraconducteurs, graphène, etc. – et se comportant quantiquement à basse température. Comme en physique atomique et moléculaire, la spectrométrie est l’outil de choix pour sonder et manipuler les états quantiques de ces circuits. Mon projet de recherche e...

This thesis discusses the realization of a new device for mesoscopic physics: the Josephson spectrometer. It consists of two Josephson junctions and relies on the Josephson effect to convert a DC voltage to microwave oscillations at frequencies up to 180 GHz. Absorption of the emitted photons is directly measured in the current-voltage characteristic of the spectrometer.The spectrometer is carefully designed in order to avoid exciting parasitic electromagnetic modes and to optimize the coupling to the device under test.The Josephson spectrometer is used to measure the spectra of four simple systems over a wide frequency range: a LC resonator mode around 150 GHz, the excitation of quasiparticles in a superconductor above 90 GHz, the plasma frequency of a Josephson junction around 15 GHz and the plasma frequency of a RF-SQUID around 80 GHz.Finally, some more complex and challenging targets for the spectrometer are presented, as well as improvements to be implemented to the current version of the device., Cette thèse décrit la réalisation d’un nouveau dispositif pour la physique mésoscopique : le spectromètre Josephson. Il est composé de deux jonctions Josephson et repose sur l’effet Josephson pour convertir une tension continue en oscillations micro-ondes de fréquence pouvant atteindre 180 GHz. L’absorption de ces photons est directement mesurée sur la caractéristique courant-tension du spectromètre.Le spectromètre est soigneusement dessiné pour éviter qu’il n’excite des modes électromagnétiques parasites et pour optimiser le couplage au système d’intérêt.Le spectromètre Josephson est utilisé pour mesurer le spectre de quatre systèmes simples dans une large gamme de fréquences : un mode de résonateur LC autour de 150 GHz, l’excitation de quasiparticules dans un supraconducteur au-dessus de 90 GHz, la fréquence plasma d’une jonction Josephson autour de 15 GHz et la fréquence plasma d’un RF-SQUID autour de 80 GHz.Finalement, quelques systèmes plus complexes et stimulants pouvant être sondés avec le spectromètre sont présentés, ainsi que quelques améliorations à apporter à la version actuelle du spectromètre.

In my thesis, I studied low-temperature electronic transport in semiconductor nanowires coupled to superconductors, with the goal of understanding the requirements to observe Majorana bound states. Unexpectedly, I found dramatic examples of the pervasiveness of spatial localization of electrons even in seemingly ballistic one-dimensional (1D) nanowires. Localization could replicate signatures of one-dimensionality, helicity and Majorana bound states, casting a shadow of doubt on their interpretation.1D nanowires are expected to show plateaus of quantized conductance. Curiously, transport through an InAs nanowire hosting a single-level quantum dot showed that it could mimic the first two spin-resolved plateaus. A measurement of the Josephson supercurrent under magnetic field revealed the ground-state transitions of an electron occupying this level, confirming its localized nature.In the helical regime, a conductance dip is predicted to appear in each of the conductance plateaus. Surprisingly, InSb nanowire devices hosting a quantum dot conducting in parallel with a 1D channel reproduced this signature.The presence of Majorana bound states, in turn, should be revealed by a zero-bias peak (ZBP) in tunnel spectroscopy. In one of the two-path devices mentioned above, when the 1D path was closed, a zero-bias peak emerged inside the superconducting gap under a magnetic field parallel to the nanowire. This ZBP was related to trivial Andreev bound states from the quantum dot in parallel to the 1D channel. In a different experiment done in an InAs nanowire Josephson junction device hosting a quantum dot, a ZBP related to a Josephson supercurrent appeared inside of the superconducting gap as a result of a transition of the ground-state of the dot from a singlet to a doublet.In spite of localization, it was possible to extract some meaningful information about the 1D regime. The role of the gates was major in determining the degeneracy of the subbands in an InSb nanowire with two 1D conduction paths in parallel under magnetic field. Through a direct influence on their threshold voltages, orbital effects, and g-factors, the gate voltage could shift the energies of the subbands and lock them together. Via this mechanism, it was possible to observe a 2e^2/h plateau lasting until very large field without the appearance of a 1e^2/h plateau. The possible existence of two quantum wires in a single nanowire opens the door for novel helical and Majorana bound states of fractional nature.Altogether, these results point to the need of a better understanding of the physics of simpler few-gates short-channel InAs and InSb nanowire superconducting and normal-state devices, before committing to the utterly complex devices that should be fabricated to study and manipulate Majorana bound states, in which signatures of localization could be better hidden. These original results will be published in the coming months in four different articles.; Dans ma thèse, j'ai étudié le transport électronique quantique dans des nanofils semiconducteurs couplés aux supraconducteurs, avec le but de comprendre les conditions nécessaires pour observer des états liés de Majorana. De manière inattendue, au cours de mes expériences j'ai trouvé des exemples notables de l'omniprésence de la localisation spatiale des électrons dans des nanofils apparemment balistiques et unidimensionnels (1D). Ses effets peuvent imiter des signatures d'unidimensionnalité, d’hélicité et des états liés de Majorana, jetant un doute sur leur interprétation.La conductance d’un nanofil 1D est quantifiée et censée montrer des plateaux a des multiples entiers du quantum de conductance. Curieusement, le transport dans un nanofil d'InAs qui hébergeait une boite quantique à un seul niveau a montré qu'il pouvait répliquer les deux premiers plateaux résolus en spin. Une mesure du courant Josephson sous un champ magnétique a révélé les transitions d'état fondamental d'un électron qui occupait ce niveau et confirmé sa nature localisé.Dans le régime hélicoïdal, une chute de la conductance est prédite au milieu de chaque plateau de conductance. De façon étonnante, des dispositifs à base de nanofils uniques d'InSb hébergeant une boite quantique qui conduisait en parallèle avec le canal 1D ont reproduit la même signature.Enfin, la présence des états liés de Majorana, devrait être décelée par un pic à tension de biais nul (ZBP) lors d’une spectroscopie tunnel. Dans un des échantillons à deux canaux mentionnés précédemment, lorsque le canal unidimensionnel était fermé, un ZBP a émergé dans le gap supraconducteur sous un champ magnétique parallèle au nanofil. Ce ZBP a été attribué aux états liés d'Andreev de la boite quantique. Dans une expérience différente faite avec une jonction Josephson à base d'un nanofil d'InAs hébergeant une boite quantique, un ZBP relié au courant Josephson est apparu dans le gap supraconducteur comme le résultat d'une transition de l'état fondamental singlet de la boite quantique vers un état doublet.Malgré la localisation, il a été possible d'extraire des informations significatives sur le régime 1D. Le rôle des grilles a été majeur dans la détermination des dégénérescences sous un champ magnétique des sous-bandes d’un nanofil d'InSb présentant deux canaux de conduction en parallèle. En jouant avec leurs tensions de seuil, effets orbitaux, et facteurs gyromagnétiques, la tension de grille pouvait changer les énergies des sous-bandes appartenant à chaque canal, de manière à les verrouiller ensemble. Grace à ce mécanisme, il a été possible d’observer un plateau à 2e^2/h jusque à de forts champ magnétiques sans aucune apparition d'un plateau à 1e^2/h. La possible existence des deux fils quantiques dans un seul nanofil ouvre la voie à l'observation des états hélicoïdaux et des états liés de Majorana de nature fractionnel.Dans l'ensemble, ces résultats pointent vers la nécessité d'une meilleure compréhension de la physique des dispositifs à base de nanofils d'InAs et d'InSb. Des études supplémentaires dans l'état supraconducteur et normal doivent être réalisées sur des dispositifs plus simples avec un faible nombre de grilles, avant de faire l'étude et manipulations des états liés de Majorana dans des systèmes plus complexes, dont les signatures de localisation pourraient être mieux cachées. Ces résultats originaux vont être publiés dans les mois qui suivent dans quatre articles différents.

This HDR thesis mainly focuses on the work that I have performed since my arrival at the Laboratoire Pierre Aigrain of ENS-Paris, for the development of Mesoscopic Quantum Electrodynamics (or Cavity Quantum Electrodynamics with hybrid nanocircuits), in close collaboration with the experimental "Hybrid Quantum Circuits" team. The first experimental results of this collaboration include the observation of a coherent spin/photon coupling at the single spin level [Science 349, 6246 (2015)] and photon-emission by a quantum dot/superconductor junction [Phys. Rev. X, 6, 021014 (2016)]. I also describe more formal work on the general theoretical description of Mesoscopic Quantum Electrodynamics.

The superconducting proximity effect is a phenomenon occurring at low temperatures that conveys superconducting properties to a phase coherent normal metal sample connected to superconducting electrodes. It is also a powerful tool in mesoscopic physics because it is sensitive to different transport regimes at low temperatures. In particular, we have used this effect to reveal the special electronic transport properties of single crystal Bi nanowires. In this system, the transport is dominated by surface states. Moreover, the presence of strong spin-orbit coupling in Bi at low dimensions deeply influences its electronic structure : it was predicted that (111) oriented Bi bilayer are insulating in the bulk, but conducting along the edges. This so called Quantum Spin Hall Effect (QSHE), gives rise to counterpropagating chiral edge states, that are protected against disorder as long as time reversal symmetry is present.Through the observation of the resilience of the critical current in several samples at high magnetic field, along with SQUID-like interference pattern at low magnetic field, we showed the existence of supercurrent carrying 1D edge states. The measurement of the current-phase relation using the asymetric SQUID technique on a previously characterized nanowire was realized and further demonstrates that these edge states are ballistic. These findings are consistent with tight-binding simulations that extend the known results for (111) Bi bilayer to nanowire-like system. The addition of an in-plane Zeeman field allows one to observe 0-π transitions, thereby revealing spin-splitting induced Andreev level crossings. Finally, microwave spectroscopy measurement of the dynamical susceptibility in this system are initiated, that could reliably demonstrate the property of protection against disorder according to numerical simulations.By exploring Bi at low dimensions, this thesis paves the way towards the exploration of electronic states fully protected from disorder.; La supraconductivité par effet de proximité est un phénomène apparaissant à basse températures qui confère des propriétés supraconductrices à un métal normal cohérent de phase connecté à des électrodes supraconductrices. C'est aussi un outil puissant de la physique mésoscopique, car il est sensible aux différents régimes de transport à basse température. En particulier, nous avons utilisé cet effet afin de révéler les propriétés électroniques spéciales de nanofils de Bi monocrystallins. Dans ce système, le transport est dominé par la surface. De plus, la présence de fort couplage spin-orbite dans le Bi à basse dimension influence profondément sa structure de bande : la bicouche de Bi orienté selon la direction (111) a été prédite d'être isolante dans le volume, mais conductrice sur les bords. Cet effet, appelé l'effet Hall quantique de spin donne lieu a deux états chiraux contra-propageants, qui sont insensibles au désordre tant que la symétrie par renversement du temps est préservée.A travers l'observation de la robustesse du courant critique à fort champ magnétique dans plusieurs échantillons, en même temps que des intérférences de type SQUID à bas champ magnétique, nous avons montré l'existence d'états de bord 1D portant le supercourant. La mesure de la relation courant-phase grâce à la technique de SQUID asymétrique sur un nanofil caractérisé auparavant a été réalisée et démontre que ces canaux sont en fait balistiques. Ces résultats sont compatibles avec des simulations de type liaisons fortes, qui étendent les résultats connus pour la bicouche de Bi (111) aux systèmes de type nanofil. L'ajout d'un champ Zeeman dans le plan permet d'observer des transitions 0-π, révélant ainsi des croisements de niveaux induits par la séparation en spin des états d'Andreev. Enfin, des mesures de la susceptibilité dynamique de ce système via des mesures de spectroscopie micro-onde ont été mises en place, et pourraient démontrer de manière univoque la propriété de protection topologique contre le désordre, d'après nos simulations numériques.

The superconducting proximity effect is a phenomenon occurring at low temperatures that conveys superconducting properties to a phase coherent normal metal sample connected to superconducting electrodes. It is also a powerful tool in mesoscopic physics because it is sensitive to different transport regimes at low temperatures. In particular, we have used this effect to reveal the special electronic transport properties of single crystal Bi nanowires. In this system, the transport is dominated by surface states. Moreover, the presence of strong spin-orbit coupling in Bi at low dimensions deeply influences its electronic structure : it was predicted that (111) oriented Bi bilayer are insulating in the bulk, but conducting along the edges. This so called Quantum Spin Hall Effect (QSHE), gives rise to counterpropagating chiral edge states, that are protected against disorder as long as time reversal symmetry is present.Through the observation of the resilience of the critical current in several samples at high magnetic field, along with SQUID-like interference pattern at low magnetic field, we showed the existence of supercurrent carrying 1D edge states. The measurement of the current-phase relation using the asymetric SQUID technique on a previously characterized nanowire was realized and further demonstrates that these edge states are ballistic. These findings are consistent with tight-binding simulations that extend the known results for (111) Bi bilayer to nanowire-like system. The addition of an in-plane Zeeman field allows one to observe 0-π transitions, thereby revealing spin-splitting induced Andreev level crossings. Finally, microwave spectroscopy measurement of the dynamical susceptibility in this system are initiated, that could reliably demonstrate the property of protection against disorder according to numerical simulations.By exploring Bi at low dimensions, this thesis paves the way towards the exploration of electronic states fully protected from disorder., La supraconductivité par effet de proximité est un phénomène apparaissant à basse températures qui confère des propriétés supraconductrices à un métal normal cohérent de phase connecté à des électrodes supraconductrices. C'est aussi un outil puissant de la physique mésoscopique, car il est sensible aux différents régimes de transport à basse température. En particulier, nous avons utilisé cet effet afin de révéler les propriétés électroniques spéciales de nanofils de Bi monocrystallins. Dans ce système, le transport est dominé par la surface. De plus, la présence de fort couplage spin-orbite dans le Bi à basse dimension influence profondément sa structure de bande : la bicouche de Bi orienté selon la direction (111) a été prédite d'être isolante dans le volume, mais conductrice sur les bords. Cet effet, appelé l'effet Hall quantique de spin donne lieu a deux états chiraux contra-propageants, qui sont insensibles au désordre tant que la symétrie par renversement du temps est préservée.A travers l'observation de la robustesse du courant critique à fort champ magnétique dans plusieurs échantillons, en même temps que des intérférences de type SQUID à bas champ magnétique, nous avons montré l'existence d'états de bord 1D portant le supercourant. La mesure de la relation courant-phase grâce à la technique de SQUID asymétrique sur un nanofil caractérisé auparavant a été réalisée et démontre que ces canaux sont en fait balistiques. Ces résultats sont compatibles avec des simulations de type liaisons fortes, qui étendent les résultats connus pour la bicouche de Bi (111) aux systèmes de type nanofil. L'ajout d'un champ Zeeman dans le plan permet d'observer des transitions 0-π, révélant ainsi des croisements de niveaux induits par la séparation en spin des états d'Andreev. Enfin, des mesures de la susceptibilité dynamique de ce système via des mesures de spectroscopie micro-onde ont été mises en place, et pourraient démontrer de manière univoque la propriété de protection topologique contre le désordre, d'après nos simulations numériques.

On-chip electronic circuits at cryogenic temperature are instrumental to studying the quantum behavior of electrons. In particular, quantum dot circuits represent tunable model systems for the study of strong electronic correlations, epitomized by the Kondo effect. In this thesis, carbon nanotube based-quantum dot circuits are embedded in coplanar microwave cavities, with which circuit quantum electrodynamics (cQED) has reached a high degree of control of the light-matter interaction. Here, microwave cavity photons are used to probe the charge dynamics in the quantum dot circuit. More precisely, the high finesse cavity allows us to measure the compressibility of the electron gas in the dot with an unprecedented sensitivity. Simultaneous measurements of electronic transport and compressibility show that the Kondo resonance observed in the conductance is transparent to microwave photons. This reveals the predicted frozen charge dynamics in the quantum dot for this peculiar electron transport mechanism and illustrates that the many-body Kondo resonance in the conductance is associated to correlations arising from spin fluctuations of a frozen charge. A second quantum phenomenon addressed in this thesis is the possible emergence of a new quasi-particle in condensed matter, called Majorana bound state, which would be its own anti-particle. For that purpose, a ferromagnetic gate has been placed below a nanotube in order to generate a synthetic spin-orbit coupling. The observation of Andreev bound states in such a device is a first promising step towards the detection with a cQED architecture of Majorana bound states in a carbon nanotube., Les circuits électroniques mesurés à des températures cryogéniques permettent d'étudier le comportement quantique des électrons. En particulier, les circuits de boites quantiques sont des systèmes accordables modèles pour l'étude des électrons fortement corrélés, symbolysée par l'effet Kondo. Dans cette thèse, des circuits de boîtes quantiques à base de nanotube de carbone sont intégrés à des cavités micro-onde coplanaires, avec lesquelles l'électrodynamique quantique en cavité (cQED) a atteint un degré de contrôle remarquable de l'interaction lumière-matière. Les photons de la cavité micro-onde sont ici utilisés pour sonder la dynamique de charge dans le circuit de boîtes quantiques. Plus précisément, la cavité micro-onde de grande finesse nous a permis de mesurer la compressibilité du gas d'électrons dans une boîte avec une sensibilité sans précédent.Des mesures simultanées de transport électronique et de la compressibilité montrent que la résonance Kondo observées dans la conductance est transparente aux photons micro-ondes. Cela révèle le gel de la dynamique de charge dans la boîte quantique pour ce mécanisme particulier de transport d'électrons et illustre que la résonance Kondo à N-corps dans la conductance est associée aux corrélations issues des fluctuations de spin d'une charge gelée. Nous étudions aussi dans cette thèse la possible émergence d'une nouvelle quasi-particule, appelée état lié de Majorana, et qui serait sa propre anti-particule. Dans ce but, une grille ferromagnétique a été placée sous le nanotube pour créer un couplage spin-orbit artificiel. L'observation d'états d'Andreev dans un tel dispositif est un premier pas prometteur vers la détection avec une architecture cQED d'états liés de Majorana dans les nanotubes de carbone.

We studied the electron dynamics in metallic nanoparticle arrays. We first considered the simplestarray i.e. a nanoparticle dimer. We found the eigenfrequencies of the heterogeneous dimer andthen we applied the open quantum system approach to describe the decay processes present inthe system. We investigated two decay processes which depend on the size of the nanoparticlesbuilding up the dimer : the Landau damping, inversly proportional to the system-size, and radiationdamping, proportional to the volume of the system. Using the results of the dimer study weextended our open quantum system approach to study one-dimensional nanoparticle chains. Wederived a master equation and used it to investigate the propagation of plasmons along the chain.We found that the propagation of the plasmon is limited by the non-radiative sources of damping.Finally we derived an analytical expression for the propagation length of a plasmon in ananoparticle chain.; Nous avons étudié la dynamique des électrons dans des réseaux de nanoparticules métalliques. Nous avons d'abord considéré le réseau le plus simple, c'est-à-dire le dimère de nanoparticules. Nous avons trouvé des fréquences propres du dimère hétérogène et ensuite nous avons appliqué l'approche du système quantique ouvert pour décrire les processus d’amortissement présents dans le système. Nous avons étudié deux processus d’amortissement qui dépendent de la taille des nanoparticules constituant le dimère: l'amortissement de Landau avec une proportionnalité inverse à la taille du système, et l’amortissement radiatif, proportionnel au volume du système. En utilisant les résultats de l'étude des dimères, nous avons étendu notre approche du système quantique ouvert pour étudier des chaînes de nanoparticules unidimensionnelles. Nous avons dérivé une équation maîtresse qui a été utilisée pour étudier la propagation des plasmons le long de la chaîne. Nous avons constaté que la propagation du plasmon est limitée que par les sources non radiatives d'amortissement. Enfin, nous avons dérivé l'expression analytique de la longueur de propagation d'un plasmon dans une chaîne de nanoparticules.

Localized electronic states, called Andreev bound states, appear in weak-links placed between superconducting electrodes. The experiments presented in this thesis explore the coherence properties of these states. Single atom contacts between aluminum electrodes are used as weak links. In order to isolate and probe these states, the atomic contacts are integrated in amicrowave cavity.In a first series of experiments, it is shown that Andreev states can be used to define a quantumbit, “the Andreev qubit”, which is controlled using microwave pulses.Measurements of the lifetime and coherence time of this qubit are thoroughly analyzed.In a second series of experiments, the interaction between the Andreev qubit and the microwave cavity are used to determine the number of photons present in the cavity as a function of the power of microwave pulses at its eigenfrequency.Finally, quantum and parity jumps are observed in continuous measurements of the state of the Andreev dot., Des états électroniques localisés apparaissent dans les liens faibles entre électrodes supraconductrices : les états d’Andreev. Les expériences présentées dans cette thèse explorent les propriétés de cohérence quantique de ces états, en utilisant comme liens faibles des contacts à un atome entre des électrodes d’aluminium. Les contacts atomiques sont intégrés dans une cavité microonde qui permet à la fois de les isoler et de les sonder.Dans une première série d’expériences, il est montré qu’on peut utiliser les états d’Andreev pour définir un bit quantique, le « qubit d’Andreev », qu’on contrôle à l’aide d’impulsions micro-onde.Les mesures des temps de vie de cohérence de ce qubit sont analysées en détail.Dans une deuxième série d’expérience,l’interaction entre le qubit d’Andreev et le résonateur micro-onde est utilisée pour quantifier le nombre de photons présents dans le résonateur en fonction de la puissance d’impulsions microonde à sa fréquence propre.Enfin, des sauts quantiques et des sauts de parités ont observés dans des mesures continues de l’état du qubit d’Andreev.

This brief review presents the emerging field of mesoscopic physics with cold atoms, with an emphasis on thermal and 'thermoelectric' transport, i.e. coupled transport of particle and entropy. We review in particular the comparison between theoretically predited and experimentally observed thermoelectric effects in such systems. We also show how combining well designed transport properties and evaporative cooling leads to an equivalent of the Peltier effect with cold atoms, which can be used as a new cooling procedure with improved cooling power and efficiency compared to the evaporative cooling currently used in atomic gases. This could lead to a new generation of experiments probing strong correlation effects of ultracold fermionic atoms at low temperatures., 33 pages, 9 figures, Review. To be published in the special issue "Mesoscopic Thermoelectric Phenomena" of C. R. Physique 17 (2016)

We studied the electron dynamics in metallic nanoparticle arrays. We first considered the simplestarray i.e. a nanoparticle dimer. We found the eigenfrequencies of the heterogeneous dimer andthen we applied the open quantum system approach to describe the decay processes present inthe system. We investigated two decay processes which depend on the size of the nanoparticlesbuilding up the dimer : the Landau damping, inversly proportional to the system-size, and radiationdamping, proportional to the volume of the system. Using the results of the dimer study weextended our open quantum system approach to study one-dimensional nanoparticle chains. Wederived a master equation and used it to investigate the propagation of plasmons along the chain.We found that the propagation of the plasmon is limited by the non-radiative sources of damping.Finally we derived an analytical expression for the propagation length of a plasmon in ananoparticle chain., Nous avons étudié la dynamique des électrons dans des réseaux de nanoparticules métalliques. Nous avons d'abord considéré le réseau le plus simple, c'est-à-dire le dimère de nanoparticules. Nous avons trouvé des fréquences propres du dimère hétérogène et ensuite nous avons appliqué l'approche du système quantique ouvert pour décrire les processus d’amortissement présents dans le système. Nous avons étudié deux processus d’amortissement qui dépendent de la taille des nanoparticules constituant le dimère: l'amortissement de Landau avec une proportionnalité inverse à la taille du système, et l’amortissement radiatif, proportionnel au volume du système. En utilisant les résultats de l'étude des dimères, nous avons étendu notre approche du système quantique ouvert pour étudier des chaînes de nanoparticules unidimensionnelles. Nous avons dérivé une équation maîtresse qui a été utilisée pour étudier la propagation des plasmons le long de la chaîne. Nous avons constaté que la propagation du plasmon est limitée que par les sources non radiatives d'amortissement. Enfin, nous avons dérivé l'expression analytique de la longueur de propagation d'un plasmon dans une chaîne de nanoparticules.

A fundamental route for the exploration of solid state based quantum information is the generation of EPR pairs of quantum-entangled objects. Although experimental tests of nonlocality have been successfully conducted with pair of entangled photons, it has not yet been possible to realize an electronic analogue of it in the solid state, where fermions are the natural quantum objects. However, Cooper pairs in superconductors are known as suitable sources of entanglement. Non-local entanglement is the key and Crossed Andreev reflection process can provide it by converting a Cooper pair into two spin-entangled electrons located in separate conductors.I investigated a device where three superconducting (Al) electrodes are connected by a sub-micron normal metal (Cu) composing a Josephson three-junction. In this hybrid nanostructure, new sub-gap features appear in the differential conductance when two terminals are biased at opposite voltage with respect to the third one. These features correspond to correlated motion of Cooper pairs and are consistent with the prediction of Quartets formed by the simultaneous splitting of two Cooper pairs from one of the superconducting reservoirs and the emission of two phase correlated Cooper pairs in the two other electrodes. In order to probe the quantum coherence of such features, I irradiated the device with a microwave at 14 GHz down to very low temperature (100 mK). Well known Shapiros resonances (both integer and half-integer) are observed when the microwave frequency matches the frequency of the AC Josephson currents generated by applying differents voltages across the three-junction.My study reveals that the quartet feature also shows Shapiro-like resonances. This result demonstrates that the quartet feature is a true quantum mechanism and confirms the quartet scenario that implies the coherent splitting of two Cooper pairs.; La génération d'objets quantiques intriqués est inévitable pour l'exploration de l'information quantique dans les systèmes de la matière condensée. Alors que des expériences de non-localité on été menées, avec succès, à partir de photons intriqués, il n'a pas encore été possible de réaliser leurs analogues électroniques dans les matériaux solides, où les fermions sont les objets quantiques à intriqués. Les paires de Cooper dans les supraconducteurs sont des candidats prometteurs pour réaliser une source d'électrons intriqués. L'intrication non-local est la clé de voûte et elle peut être induite par le processus de réflexion d'Andreev croisée. Ce phénomène sépare une paire de Cooper en deux électrons, dont les spins sont intriqués, dans deux conducteurs séparés spatialement.J'ai étudié un système composé de trois électrodes supraconductrices (Al) connectées par un métal normal (Cu) formant ainsi une tri-jonction Josephson. De nouvelles structures, dans cette nano-structure hybride, apparaissent dans la conductance différentielle lorsque deux terminaux sont polarisées par des potentiels opposés l'un par rapport à l'autre. Ces anomalies correspondent à des phénomène de transport de paires de Cooper corrélées et sont consistantes avec la prédictiondes Quartets formés par la séparation simultanée de deux paires de Cooper d'un réservoir supraconducteur vers les deux autres électrodes.Dans le but d'expérimenter la cohérence quantique de ces structures, j'ai irradié la tri-jonction à l'aide d'une micro-onde de 14 GHz à très basse température. Des résonances Shapiro apparaissent lorsque la fréquence de la micro-onde est équivalente à la fréquence des courants AC Josephson générés en appliquant des tensions à travers la tri-jonction.Mon étude révèle que les anomalies de type Quartet présentent aussi des résonances Shapiro. Ce résultat démontre que le phénomène de Quartet est un mécanisme quantique cohérent confirmant la séparation cohérente de deux pairs de Cooper à longue portée.

Thanks to the experimental breakthrough of the last years in the manipulation of ultra cold atomic gases, it has become possible to realize low-dimensional and mesoscopic quantum fluids. The object of this thesis is the theoretical investigation of a few mesoscopic systems that can be realized with a one-dimensional Bose gas. These systems exhibit interesting quantum phenomena, and are potentially relevant for technological applications. We study the phenomenon of persistent currents induced by stirring the gas confined on a ring with a potential barrier, we examine the feasibility of a qubit based on the superposition of current states in a ring lattice threaded by a gauge field in the presence of a weak-link, and we investigate the dipole excitation of the gas in a split trap induced by an out-of-equilibrium displacement of the external potential. In all these cases, we apply a combination of analytical and numerical approaches that allow to cover all the interaction regimes. As a recurring theme, we disclose a so-far unknown regime of maximal screening of the barrier potential by the fluid, arising from the interplay of effects due to interactions and quantum fluctuations. These results have significant consequences for the behaviour of such systems and are important for the ongoing and future realization of ultracold atomic gases devices.; Ces dernières années d'importantes avancées techniques dans la manipulation des gaz atomiques ultrafroids ont ouvert la voie à la réalisation de fluides quantiques mésoscopiques de basse dimension. L'objet de cette thèse est l'étude théorique de certains systèmes mésoscopiques réalisables avec un gaz de Bose unidimensionel. Ces systèmes présentent des phénomènes quantiques intéressants, et sont potentiellement utiles en vue d'applications technologiques. Nous étudions le phénomène des courants permanents induits dans un gaz confiné sur un anneau par la rotation d'une barrière de potentiel, nous examinons la faisabilité d'un qubit fondé sur la superposition d'états de courant dans un réseau en forme d'anneau traversé par un champ de jauge et contenant un 'weak-link', ainsi que l'excitation dipolaire du gaz dans un 'split-trap' induit par le déplacement hors équilibre du potentiel externe. Dans tous ces cas, nous combinons diverses approches analytiques et numériques, qui permettent de couvrir l'ensemble des régimes d'interactions. Nous mettons en lumière un régime jusque-là inconnu, d'écrantage maximal des barrières de potentiel par le fluide, dû à une competition entre les effets des interactions et des fluctuations quantiques. Ces résultats ont des conséquences significatives sur le comportement de tels systèmes et, de ce fait, sont importants pour les réalisations en cours et à venir de dispositifs à gaz d'atomes ultrafroids.

The experiments presented in this thesis associate two fields of condensed matter physic, on the one hand with the spin glass physic and the other hand with the mesoscopic physic. The spin glass state is one of the most emblematic of disordered and frustred system and at low temperature, it is caracterized by an unconventionel order where the magnetic disorder is quenched. Moroever, it is considered as a model system for glasses in general and thereby it has been extensively studied, both experimentally and theoreticlly. After extensive research efforts, the description of fundamental state of the system has lead towards two well different approaches. The first, given by the mean field solution, highlights a fundamental composed of mulitple states organised and hierarchical. The second, called droplet model is based on the off--equilibrium dynamic of a unique ground state. However, despite these contributions, the understanding ot this phase is far from being complete and the nature of the ground state still remains an open question. In a mesoscopic conductor, the transport of electron is coherent: electrons keep the memory of their phase, so that one can observe interference effects. The main motivation of this work is to use these interference effects in order to to probe the spin glass state. Indeed, as electronic interference depends of the position of the static disorder, coherent transport can be a useful tool to study the configuration of the microscopic disorder. Althought few coherent transport experiments exist to probe the spin glass, this field of research has very little explored. Nevertheless, this area has been a revival thanks to theoritical work, showing how coherent transport is sensitived to the quenched disorder and how it may provide informations of the nature of fundamental state of spin glass. So, this experimental work deals with the implementation of transport measurements in mesoscopic spin glasses. The first part of the study is focused on the general charateristics of classical and quatum transport of these system. We have examined the resistivity as a function of the temperature and magnetic field and we show that these mesoscopic systems have a spin glass-like behaviour. In a second part, we have focused on the low field magnetoresistivity. We show that it presents a strong hysteresis, whose the amplitude is strongly depends, both of the temperature in the glassy phase and sweeping rate of the magnetic field. We argue that this particular behaviour is related to the out off-equilibrium of the system and we show how the temperature and the sweeping rate control the deviation to the equilibrium. In this part, we also examine by transport measurements how the system relaxes towards the equilibrium just after its excitation. In addition, we present surprinsing transport propreties that we observed, resulting of experimental protocols more sophisticated in temperatures and magnetic fields., Les travaux expérimentaux présentés dans cette thèse associent deux pans de la physique de la matière condensée, avec d'un côté la physique des verres de spins et de l'autre la physique mésoscopique. Le verre de spins est un exemple emblématique de système désordonné et frustré, il se caractérise à basse température par un ordre magnétique non conventionnel, où le désordre magnétique apparaît gelé. De plus, celui-ci est considéré comme un système modèle pour étudier les verres en général et de ce fait, il a fait l'objet de nombreuses études expérimentales et théoriques. Après d'importants efforts de recherche, la description de l'état fondamental de ce système a abouti à deux approches très différentes. La première, donnée par la résolution non triviale du problème en champ moyen, met en avant un état fondamental composé d'une multitude d'états organisés et hiérarchisés. La deuxième approche, dite des "gouttelettes", se base quant à elle sur la dynamique hors équilibre d'un unique état. Cependant, en dépit de ces contributions, la compréhension de cette phase est loin d'être complète et la nature de l'état fondamental reste encore un débat ouvert. Dans un conducteur mésoscopique, le transport se fait de manière cohérente : les électrons gardent la mémoire de leur phase, ce qui permet d'observer des effets d'interférences électroniques. La motivation à la base de ce travail est d'utiliser ces effets d'interférences comme outil pour étudier le verre de spins. En effet, étant donné que les interférences électroniques dépendent intiment de la disposition du désordre statique du conducteur, le transport cohérent peut se révéler être une sonde microscopique très efficace pour étudier la configuration du désordre dans un conducteur. Bien que quelques expériences pionnières de transport cohérent existent dans des verres de spins, ce domaine de recherche n'a que très peu été exploré. Néanmoins, il a connu un récent renouveau grâce à des travaux théoriques qui montrent de quelle manière cette sonde est sensible au désordre magnétique gelé et comment elle peut fournir des informations sur la nature de l'état fondamental du verre de spins. Ainsi, ce travail de thèse expérimental présente l'implémentation de mesure de transport dans des verres de spins mésoscopiques. La première partie de l'étude est consacrée aux caractéristiques générales de transport classique et quantique de ces systèmes. Nous avons examiné les propriétés de la résistivité en fonction de la température et du champ magnétique et nous montrons que ces systèmes mésoscopiques possèdent bien des comportements attendus pour des verres de spins. Dans une deuxième partie, nous nous sommes intéressés au comportement de la magnétorésistance à bas. Nous avons mis en avant que celle-ci présente une forte hystérésis dont l'amplitude dépend fortement, de la température dans la phase vitreuse et de la vitesse de balayage du champ magnétique. Nous avons argumenté que ce comportement particulier traduit la mise hors équilibre du système et montrons comment la température et la vitesse de balayage du champ magnétique pilotent l'écart à l'équilibre. Dans cette partie, nous avons aussi examiné par des mesures de transport la relaxation du système vers l'équilibre, après l'avoir excité. Nous présentons également les propriétés de transport étonnantes que nous avons observées à bas champ, résultant de protocoles en températures et en champs magnétiques plus complexes.

This thesis presents three experiments focusing on quantum transport in coherent conductors at the elementary scale of the conduction channel. The first one studies how electrical transport in a channel is modified when the channel is embedded in a linear circuit characterized by an impedance. We observed empirically that the channel conductance obeys a scaling law and we demonstrated experimentally a mapping of this system to the so-Called Tomonaga-Luttinger liquids. The second one is interested in the charge of a metallic island electrically coupled to the outside world through two conduction channels. In the weak coupling regime, it is well-Known that the island charge is quantized in units of the electron charge. Here we characterized the crossover to the strong coupling regime where charge quantization is destroyed by quantum fluctuations. The third one is about heat transport in coherent conductors. Thanks to a noise measurement setup implemented during this thesis, we were able to measure quantitatively for the first time the thermal conductance of a single electronic channel, which we found in agreement with the thermal conductance quantum to a few % accuracy., Ce mémoire de thèse présente trois expériences portant sur le transport quantique dans les conducteurs cohérents à l’échelle élémentaire du canal de conduction. La première étudie comment le transport d’électricité dans un canal est affecté lorsque le canal est inséré dans un circuit modélisé par une impédance linéaire. Nous avons observé empiriquement une loi d’échelle à laquelle obéit la conductance du canal et nous avons démontré expérimentalement une analogie entre ce système et les liquides de Tomonaga-Luttinger. La deuxième s’intéresse à la nature de la charge d’un îlot métallique couplé électriquement au monde extérieur par deux canaux de conduction. Dans le régime de couplage faible, il est bien connu que cette charge est quantifiée en unités de la charge de l’électron. Ici, nous avons caractérisé la transition vers le régime de couplage fort, où la quantification de la charge est détruite par les fluctuations quantiques. La troisième concerne le transport de chaleur dans les conducteurs cohérents. Grâce à un système de mesure de bruit implémenté au cours de ce travail de thèse, nous avons pu, pour la première fois, mesurer quantitativement la conductance thermique d’un unique canal de conduction électronique, que nous avons trouvée en accord avec le quantum de conductance thermique à une résolution de quelques pourcents.

Ce mémoire présente ma contribution à l'avènement des circuits supraconducteurs comme composant de base des systèmes d'information quantique. Les variables macroscopiques des circuits électriques, telles que la tension et le courant, obéissent aux lois de la mécanique quantique tant qu'elles sont suffisamment découplées de leur environnement. Depuis que les premiers qubits supraconducteurs ont été réalisés il y a 15 ans, leurs temps de cohérence ont augmenté de 5 ordres de grandeur grâce à un meilleur contrôle de l'environnement électromagnétique des jonctions Josephson. Sur ces systèmes remarquables, nous avons réalisé des expériences qui illustrent quelques uns des aspects les plus non classiques de l'information quantique. - Les variables quantiques fluctuent même à température nulle. Ces fluctuations de point zéro imposent à un détecteur d'ajouter au moins un minimum de bruit. Nous explorons les limites quantiques de l'amplification pour des signaux microonde itinérants, et décrivons un circuit supraconducteur concret, le mixeur Josephson, capable d'atteindre cette limite. - Contrairement à l'information classique, l'information quantique peut être stockée de manière délocalisée dans l'espace grâce à l'intrication. Nous décrivons le premier circuit capable d'intriquer deux modes de champ microonde itinérants à différentes fréquences et sur des lignes de transmission séparées. Nous présentons aussi un dispositif capable de stocker un champ microonde intriqué avec un champ propageant. - La mesure d'un système quantique conduit à une réaction sur son état sans équivalent classique. Nous présentons une expérience où la trajectoire de l'état qubit est protégée de la décohérence par rétroaction basée sur la mesure. Cette expérience illustre le rôle central de la réaction d'une mesure quantique pour le contrôle par rétroaction et donc pour la correction quantique d'erreur. - Les mesures faibles fournissent une information partielle sur un système. Comme les mesures quantiques modifient l'état du système, les règles classiques de Bayes doivent être modifiées pour prédire la probabilité de trouver un résultat donné sachant qu'un certain résultat sera trouvé dans une autre mesure future. Nous décrivons une expérience où la fluorescence émise par un qubit est enregistrée dans le temps, ce qui peut être interprété comme une mesure faible et continue du qubit. L'influence de conditions sur les mesures passées et futures est explorée.

This thesis investigates experimentally the coupling mechanism of the charge and spin degrees of freedom in double quantum dots to high finesse superconducting microwave cavities. We use carbon nanotubes as a coherent conductor to host our quantum dots.We conceived an experimental setup and developed new fabrication methods in order to achieve control over these devices. With these methods, we scrutinize the resonant coupling of the dot's charge electronic transitions to a microwave cavity. We drive the system out of equilibrium to characterise its dynamics and extract its relevant intrinsic parameters. We examine a possible coupling of single photons to a single electron spin, using non-collinear exchange fields induced from ferromagnetic interfaces as a key ingredient to engineer this coupling. The preliminary results in this circuit architecture are promising for future spin-based QED experiments with single spins., Cette thèse étudie expérimentalement le mécanisme de couplage entre les degrés de liberté de charge et de spin dans des doubles boîtes quantiques et des cavités supraconductrices de grande finesse. Nous utilisons des nanotubes de carbone comme conducteurs cohérents pour nos boîtes quantiques. Nous avons conçu une expérience et développé de nouvelles méthodes de fabrication afin de pouvoir contrôler ces dispositifs. Avec ces méthodes, nous examinons le couplage résonant entre les transitions électroniques de charge dans les boîtes quantiques et la cavité micro-onde. Nous poussons le système hors équilibre pour caractériser sa dynamique et extraire ses paramètres intrinsèques. Nous étudions la possibilité d'un couplage de photons uniques avec un spin électronique individuel, en utilisant des champs effectifs non colinéaires induits par des interfaces ferromagnétiques comme ingrédient clef pour construire ce couplage. Les résultats préliminaires dans cette architecture en circuit sont prometteurs pour de futures expériences d'électrodynamique quantique en cavité avec des spins uniques.

This thesis discusses electronic transport in uni-dimensional quantum systems whose properties are studied with an extensive use of the finite-frequency non symmetrised excess noise. The first part focuses on transport through an impurity embedded in a Luttinger liquid coupled to an arbitrary electromagnetic environment. The impurity is treated in two paradigmatic situations : The tunneling and the weak backscattering regime. The out-of-equilibrium situation is dealt with the Keldysh Formalism. We show that the dynamical Coulomb blockade theory, extends to the case of a a tunnel junction between Luttinger liquids. Besides, fluctuations dissipation relations that link noise noise and current remain valid. In the transparent regime, we show that the dynamical Coulomb blockade theory applies to the backscattering current albeit back-action effects of the electronic liquid on the electromagnetic environment that have to be taken into account. Fluctuation-dissipation relations remain valid only for the emission noise. The second part focuses on the effects of a micro-wave modulation on the transport properties of the transport properties of these systems. An effective dynamical Coulomb blockade can be obtained by convolving the statistic of absorption of the environment with the Tien-Gordon statistic. Yet, the fluctuation dissipation relations are not verified in this case. These predictions are compared to the experimental results obtained by a team of the SPEC at the CEA Saclay. Last, we study the transport properties of a tunnel junction coupled to a harmonic oscillator maintained in an excited state. We show that the photons within the cavity lead to two distinct processes: photo-assisted transport that enhance the conductance, and bunching effects that enhance the probability to absorbe a large number of photons. An effective dynamical Coulomb blockade theory can also be derived by convolving the Poisson distribution with Glauber characteristic function leading to exotic statistics. These can be probed by excess noise which can thus be used as a quantum state detector., 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.

This thesis discusses electronic transport in uni-dimensional quantum systems whose properties are studied with an extensive use of the finite-frequency non symmetrised excess noise. The first part focuses on transport through an impurity embedded in a Luttinger liquid coupled to an arbitrary electromagnetic environment. The impurity is treated in two paradigmatic situations : The tunneling and the weak backscattering regime. The out-of-equilibrium situation is dealt with the Keldysh Formalism. We show that the dynamical Coulomb blockade theory, extends to the case of a a tunnel junction between Luttinger liquids. Besides, fluctuations dissipation relations that link noise noise and current remain valid. In the transparent regime, we show that the dynamical Coulomb blockade theory applies to the backscattering current albeit back-action effects of the electronic liquid on the electromagnetic environment that have to be taken into account. Fluctuation-dissipation relations remain valid only for the emission noise. The second part focuses on the effects of a micro-wave modulation on the transport properties of the transport properties of these systems. An effective dynamical Coulomb blockade can be obtained by convolving the statistic of absorption of the environment with the Tien-Gordon statistic. Yet, the fluctuation dissipation relations are not verified in this case. These predictions are compared to the experimental results obtained by a team of the SPEC at the CEA Saclay. Last, we study the transport properties of a tunnel junction coupled to a harmonic oscillator maintained in an excited state. We show that the photons within the cavity lead to two distinct processes: photo-assisted transport that enhance the conductance, and bunching effects that enhance the probability to absorbe a large number of photons. An effective dynamical Coulomb blockade theory can also be derived by convolving the Poisson distribution with Glauber characteristic function leading to exotic statistics. These can be probed by excess noise which can thus be used as a quantum state detector.; 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.

This manuscript is devoted to the study of the decoherence of single electronic wavepackets injected in a balistic quantum conductor. The single electrons are emitted on-demand using a mesoscopic capacitor in the outer edge channel of the integer quantum Hall effect. Two independent and synchronized sources are located on the input arms of an electronic beam-splitter. The measurement of the current fluctuations (noise) in the output arms allows for the characterization of two-electron interferences occuring on the beam-splitter. This realizes the electronic analog of the Hong-Ou-Mandel (HOM) interferometer. It appears that the contrast of the interference pattern depends on the shape of the emitted wavepackets. This loss of electronic coherence is caused by the capacitive coupling, due to the Coulomb interaction, between the outer edge channel and the other channels, which constitute a controlled environment for the outer channel. In order to validate this scenario, a second experiment has been realized. The mesoscopic capacitor is used in a different regime, in which it generates a collective charge density wave called edge magnetoplasmon. By characterizing the propagation of the edge magnetoplasmon as a function of frequency, one can probe the Coulomb interaction between the channels. The measurements show that this interaction is responsible for the appearance of two propagating eigenmodes: a fast charge mode and a slow neutral mode, and provide the determination of the slow mode velocity. The results of this second experiment are then used to establish that the reduction of the contrast observed in the HOM experiment is caused by this interchannel interaction. It is responsible for the destruction of the quasiparticles emitted by the source which fractionalize in charge pulses of charge e/2 along propagation. During the fractionalization process, the state generated in the outer channel gets entangled with the environment (other channels), hence reducing the contrast in the HOM experiment. More complex experiments, such as the tomography of the emitted electornic wavepacket to validate the full decoherence scenario, or the implementation of decoherence protection schemes can be envisioned in the future., Cette thèse est consacrée à l'étude de la décohérence de paquets d'onde mono-électroniques injectés dans un conducteur quantique balistique. Les paquets d'onde sont générés à l'aide d'une capacité mésoscopique, utilisée comme source d'électrons uniques, qui sont émis à la demande dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique entier. Deux telles sources indépendantes et synchronisées sont positionnées sur les bras d'entrée d'une lame séparatrice électronique. La mesure des fluctuations (bruit) du courant dans les bras de sortie permet de caractériser les interférences à deux électrons se produisant sur la lame séparatrice. De cette manière, on réalise l'analogue électronique de l'interféromètre de Hong-Ou-Mandel (HOM). Il apparaît que le contraste de la figure d'interférence dépend de la forme des paquets d'onde injectés. Cette perte de cohérence est imputée au couplage capacitif, dû à l'interaction coulombienne, entre le canal de bord externe et les autres canaux de bord co-propageants, qui constituent un environnement contrôlé pour le canal externe. Afin de valider cette hypothèse, une seconde expérience est réalisée. La capacité mésoscopique y est utilisée dans un autre régime de fonctionnement, dans lequel elle permet de générer une excitation collective de la densité de charge du canal externe, appelée magnéto-plasmon de bord. En caractérisant la propagation du magneto-plasmon de bord en fonction de la fréquence d'excitation, on peut sonder l'interaction Coulombienne entre deux canaux de bord. Ces mesures montrent que cette interaction est responsable de l'apparition de deux modes propres de la propagation : un mode "chargé" rapide et un mode "neutre" lent. Elles permettent de caractériser quantitativement la vitesse de propagation du mode neutre. Les résultats de cette seconde expérience sont ensuite utilisés pour établir que la perte de contraste, observée dans l'expérience HOM, est essentiellement due à l'interaction entre canaux de bord. Ce couplage est responsable de la destruction des quasi-particules injectées par la source, un électron se séparant (ou fonctionnalisant) en deux pulses de charge e/2 au fil de sa propagation. Durant le processus de fractionnalisation, l'état généré dans le canal de bord externe s'intrique avec son environnement (canaux de bord co-propageants) entraînant la réduction du contraste dans l'expérience HOM. Ces observations ouvrent la voie à de nouvelles expériences plus complexes telles que la tomographie de l'état du paquet d'onde sur la lame séparatrice (pour valider complètement le scénario de destruction des quasi-particules) ou la protection de la cohérence de l'état dans le canal de bord externe.

In this thesis we focus on the study of the current fluctuations, quantum admittance and density of states of an interacting nano system. Our work is divided in two parts. The first one is related to the calculation of current fluctuations and admittance for one dimensional conductor. The system is described by the theory of Tomonaga- Luttinger liquids. The calculations are performed with the help of bosonization and refermionization procedures. The results that we obtain are exact, and valuable whatever the value of the applied voltage, for all frequencies and all temperature regimes. Tow cases are studied. In the first one, we consider a coherent conductor coupled to a quantum of resistance. In the second one, we study edge states in the fractional quantum Hall regime. In the case of a coherent conductor, the finite frequency noise behavior differs from that of the scattering theory. In addition, the finite frequency conductance is directly related to the current. In the case of edge states in the fractional quantum Hall regime, we establish a direct relationship between the current correlations and the quantum admittance. Thus, the singularities observed in the current correlations are those of the admittance. The second part of the work is devoted to the study of an interacting quantum wire connected tow leads modeled as two impurities. The system is described by the Tomonaga-Luttinger liquids theory. We derived and solved an exact Dyson equation. The result is a retarded Green function allowing us to calculate the density of states in two cases, homogeneous quantum wire, and next inhomogeneous one. The effect of the impurities changes the behavior of the density of states for the homogeneous case. In the case of a position depending interaction parameter, the calculation of the density of states is more difficult and a numerical approach is needed.; 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.

This work is concerned with the theoretical description of the Scanning Gate Microscopy (SGM) in general and with solving particular models of the quantum point contact (QPC) nanostructure, analytically and numerically. SGM is an experimental technique, which measures the conductance of a nanostructure, while a charged AFM tip is scanned above its surface. It gives many interesting results, such as lobed and branched images, interference fringes and a chequerboard pattern. A generally applicable theory, allowing for unambiguous interpretation of the results, is still missing. Using the Lippman-Schwinger scattering theory, we have developed a perturbative description of non-invasive SGM signal. First and second order expressions are given, pertaining to the ramp- and plateau-regions of the conductance curve. The maps of time-reversal invariant (TRI) systems, tuned to the lowest conductance plateau, are related to the Fermi-energy charge density. In a TRI system with a four-fold spatial symmetry and very wide leads, the map is also related to the current density, on any plateau. We present and discuss the maps calculated for two analytically solvable models of the QPC and maps obtained numerically, with Recursive Green Function method, pointing to the experimental features they reproduce and to the fundamental difficulties in obtaining good plateau tuning which they reveal.; Ce travail porte sur la description théorique de la microscopie à grille locale (SGM) et sur la résolution de modèles particuliers de contacts quantiques (QPC), analytiquement et numériquement. SGM est une technique expérimentale, qui mesure la conductance d'une nanostructure, lorsqu'une pointe de microscope a force atomique chargée balaye la surface, sans contacter cette dernière. Les images de SGM révèlent de nombreuses traits intéressants, tels que des lobes, des branches, des franges d'interférence et des motifs de damier. Aucune théorie généralement applicable, donnant une interprétation univoque, n’est disponible à ce jour. En utilisant la théorie de la diffusion de Lippman–Schwinger, nous avons développé une description perturbative de signal de SGM non invasive. Les expressions du premier et du second ordre ont été données, se rapportant aux régions de marche et de plateau de la courbe de conductance. Dans les systèmes invariants par renversement du temps (TRI), adaptés au premier plateau de conductance, les images SGM sont liées à la densité de charge à l`énergie de Fermi. Dans un système TRI, avec une symétrie spatiale centrale et de très larges contacts, les images sont aussi liées à la densité de courant, quelque soit le plateau. Nous présentons et discutons les images calculées pour deux modèles analytiques de QPC et les images obtenues numériquement avec la méthode des fonctions de Green récursives, reproduisant certains motifs observés expérimentalement, et pointant les difficultés fondamentales a se bien positionner sur le plateau de conductance.

In this Thesis, we develop an effective low energy Fermi liquid formalism to describe the electron dynamics in the strongly interacting quantum RC circuit. This device is composed of a quantum dot connected to an electron reservoir by a quantum point contact. The dot is coupled capacitively to a top metallic gate. Direct current is forbidden and electron transport can be observed if the quantum dot is driven by a time dependent gate potential. Theoretical and experimental studies confirmed the analogy to a classical RC circuit and showed a violation of Kirchhoff's laws for phase-coherent transport: the charge relaxation resistance of the quantum RC circuit is universally quantized to R_q = h/2e^2 , regardless of the quantum point contact transmission, in striking contrast to direct transport measurements. We consider Coulomb blockade regimes caused by strong electronic interactions on the dot. For both spinless and spinful electrons, we show electron dynamics to be effectively non-interacting at low temperature. We derive a generalized Korringa-Shiba relation, predicting universal quantization for the charge relaxation resistance even in the presence of strong interactions on the dot. We also study non-universal behaviors of R_q for spinful electrons in the presence of a magnetic field. We focus on the Kondo regime and show the emergence of a giant peak for R q caused by the destruction of the Kondo singlet. We extend our approach to the SU(4) symmetric case, relevant in the case of further orbital degeneracy on the dot. The analytical methods developed in this work are applied to obtain the exact expression of the SU(4) Kondo temperature., Cette thèse développe une théorie effective de liquide de Fermi pour décrire la dynamique électronique dans un circuit RC quantique dans des régimes de forte interaction. Ce dispositif est composé d'une boîte quantique connectée à un réservoir d'électrons par un point de contact quantique. La boîte quantique est aussi couplée capacitivement à une grille métallique. Ce dispositif n'admet pas de courant continu, mais seulement un courant alternatif. Son comportement est analogue à celui d'un circuit RC classique et ne respecte pas les lois de Kirchhoff si le transport est cohérent. La résistance de relaxation de charge est universellement fixée à R_q = h/2e^2 , sans dépendre de l'ouverture du point de contact quantique, différement de ce qui est observé en transport direct. Nous étudions des régimes de blocage de Coulomb, provoqués par les fortes interactions électroniques. Nous démontrons que la dynamique électronique est sans interactions de façon effective à basse énergie. Nous prouvons la validité d'une formule de Korringa-Shiba généralisée, prédisant l'universalité de R_q même en présence de fortes interactions. Nous étudions aussi les comportements non universels de R q causés par la présence d'un champ magnétique. Une attention particulière est dédiée à la physique Kondo. Nous démontrons l'existence d'un pic géant pour R q , correspondant à la destruction du singulet Kondo. Notre approche est étendue à des dispositifs de symétrie SU(4), respectée par des boîtes quantiques avec dégénérescence orbitale. En appliquant les méthodes analytiques ici dévéloppées, nous dérivons l'expression exacte de la température Kondo dans le cas avec symétrie SU(4).

This thesis discusses two experiments highlighting the existence of a fermionic degree of freedom in the Josephson effect: the Andreev doublet. They are both performed on the most basic Josephson element, a one-atom contact between two superconducting electrodes. In the first one, we observed the disappearance of the supercurrent, which reflects the spontaneous trapping of a quasiparticle in one of two Andreev bound states. In the second experiment we achieved the photon-absorption spectroscopy of this two-level system, using a Josephson junction as an integrated on-chip microwave emitter and detector. The observed spectra are well accounted for by a spin-boson model including the Andreev doublet and an electromagnetic mode of the environment., Cette thèse décrit deux expériences mettant en lumière l'existence d'un degré de liberté fermionique dans l'effet Josephson: le doublet d'Andreev. Elles sont toutes les deux réalisées sur l'élément Josephson le plus élémentaire qui soit, un contact atomique entre deux électrodes supraconductrices. Dans la première, nous avons observé la disparition du supercourant, qui traduit le piégeage spontané d'une quasiparticule dans l'un des deux états liés d'Andreev. Dans la seconde, nous avons réalisé la spectroscopie photonique de ce système à deux niveaux, en utilisant une jonction Josephson à la fois en tant qu'émetteur et détecteur microonde. On peut bien rendre compte des spectres observés avec un modèle spin-boson incluant le doublet d'Andreev et un mode électromagnétique de l'environnement.

The works presented in this thesis intend to contribute to condensed matter physics in the understanding of the electronic properties of a recently discovered class of materials : the topological insulators.The first part of this memoir is an introduction to topological insulators, focusing on their specifities compared to "trivial" insulators : helical edge states (in the two dimensional quantum spin Hall effect) or relativistic surface states (for three dimensional topological insulators) both robust agiant disorder.The second part proposes a new way to probe the unique properties of the helical edge states of quantum spin Hall effect via the injection of Cooper pair from a superconductor.The third part deals with the diffusion of the three dimensional topological insulator surface states, in the phase coherent regime. The diffusion, the quantum correction to conductivity, and the amplitude of the universal conductance fluctuations are studied. This study is also led in the experimentally relevant case where the Fermi surface presents a hexagonal deformation., Les travaux présentés dans cette thèse ont pour objectif d’apporter à la physique mésoscopique un éclairage concernant la compréhension des propriétés de transport électroniques d’une classe de matériaux récemment découverts : les isolants topologiques.La première partie de ce manuscrit est une introduction aux isolants topologiques, mettant en partie l’accent sur leurs spécificités par rapport aux isolants "triviaux" : des états de bords hélicaux (dans le cas de l’effet Hall quantique de spin en 2 dimensions) ou de surface relativistes (pour les isolants topologiques tridimensionnels) robustes vis-à-vis du désordre.La deuxième partie propose une sonde de l’hélicité des états de bords de l’effet Hall quantique de spin en étudiant les propriétés remarquables de l’injection de paires de Cooper dans cette phase topologique.La troisième partie étudie la diffusion des états de surface des isolants topologiques tridimensionnels dans le régime cohérent de phase. L’étude de la diffusion, de la correction quantique à la conductance (antilocalisation faible) et de l’amplitude des fluctuations universelles de conductance de fermions de Dirac sans masse est présentée. Cette étude est aussi menée dans la cas d’états de surface dont la surface de Fermi présente la déformation hexagonale observée expérimentalement.

Mesoscopic physic is currently dominated by transport measurements that extract overall electronic properties of the studied sytstems. Tunneling spectroscopy gives access to the local density of states (LDOS). Hence, we can probe the spatial evolution of the electronic properties especially at the interface between two materials with different properties. During this thesis, we built-up a scanning probe microscope at 100mK that combine both atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM). AFM helps to locate a single nanocircuit on insulating substrate thanks to a Length Extension Resonator (LER). We can then measure the tunneling spectroscopy on the conductive nanocircuit. The energy resolution of the system is of 70µeV. We show the experimental proof of such a system by measuring the proximity effect in copper island (normal island) connected by two superconducting leads in aluminum at equilibrium, out of equilibrium and with a magnetic field. We also measured the LDOS of graphene on Ir(111) that displays electronic properties close to the one of intrinsic graphene with p-doping of about 0.34eV. We observe spatial inhomogeneities of this doping forming charge puddles with a typical size af about 9nm. Those observations are close to previous results reported on graphene on SiO2. However, the profile of the measured puddles shows a strong correlation with the topography due to the modulation of the electrostatic potential induced by the metal below the graphene. A closer look to the DOS shows quasiparticles interferences forming DOS inhomogeneities. The typical size of the DOS structures is of the order of the Fermi wavelength with a linear dependence with energy as E=ħvFk with vF = 8.3±0.7x10^5m/s which is close to the theoretical Fermi velocity of 1x10^6m/s. This point out the presence intravalley scattering and demonstrate the fact that particles in graphene on Ir(111) are Dirac fermions without mass.; La physique mésoscopique est actuellement dominée par des mesures de transport permettant d'extraire les propriétés électroniques globales des systèmes étudiés. La spectroscopie tunnel permet d'avoir un accès direct à la densité d'états locale (LDOS). Nous pouvons donc sonder les évolutions spatiale des propriétés électroniques notamment à l'interface entre 2 matériaux possédant des propriétés différentes. Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope à sonde locale qui combine microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) et qui fonctionne à 100mK. L'AFM permet de localiser un nanocircuit unique sur un substrat isolant grâce à un Length Extension Resonator (LER). Nous pouvons ensuite mesurer la spectroscopie tunnel locale du nanocircuit conducteur. La résolution énergétique obtenue avec ce système est de 70µeV. Nous avons montré la faisabilité expérimentale d'une telle étude en mesurant l'effet de proximité sur un îlot de cuivre (métal normal) connecté par deux électrodes supraconductrices en aluminium à l'équilibre, hors-équilibre et sous champ magnétique. Nous avons également mesuré la LDOS du graphène sur Ir(111) qui présente des propriétés proches du graphène intrinsèque avec un dopage de type p de l'ordre de 0.34eV. Nous avons observé que ce dopage fluctue spatialement avec la présence de poches de charges avec une taille typique de l'ordre de 9nm. Ces observations sont similaires à des résultats déjà reportés sur des systèmes graphène sur SiO2. Cependant, le profil des poches que nous avons mesuré montre une forte corrélation avec la topographie due à une modulation du potentiel électrostatique induit par le métal sous le graphène. Une analyse plus fine a permis également de réveler la présence d'interférences de quasiparticules se traduisant par une inhomogénéité de la DOS. La taille typique des structures est de l'ordre de la longueur d'onde de Fermi avec une dépendance linéaire avec l'énergie selon E=ħvFk avec vF = 8.3±0.7x10^5m/s proche de la vitesse de Fermi théorique de 1x10^6m/s. Cela met évidence la présence de diffusion intravallée et prouve le caractère de fermions de Dirac sans masse des particules du graphène sur Ir(111).

A major issue of quantum electronics is to achieve interference experiments with a small controlled number of electrons. This requires the implementation of a yet never done reliable source that can inject an arbitrary number of indistinguishable electrons in a mesoscopic conductor. Here we consider an electron source based on short time voltage pulses, that delivers q quanta of charge per pulse. For most of the voltage pulses, this charge is accompagnied by a statistical number N+ of quasi-particles (holes and electrons), the total charge of which being neutral. However, for Lorentzian-shaped voltage pulses, N+ remarkably vanishes. This leads to a minimal excitation n-electron source, with a reliable number of emitted quasi-particles. In this thesis we present a first attempt to experimentally implement this n-electron source. Sub-nanosecond pulses are applied on a quantum point contact (QPC) realized in a clean two-dimensionnal electron gas of GaAs/AlGaAs heterostructure. When the single channel of the QPC is not perfectly transmitted, shot-noise occurs and reveals the excess number N+ of quasi-particles emitted by the pulses. Thus the property of the minimal excitation number of the integer Lorentzian pulses can be tested. Moreover, shot-noise gives access to the spectroscopy of the absorption and emission processes of photons that give rise to the excited quasi-particles. In our experiments, the sine, square and Lorentzian shape pulses are compared. The distinct character of the quasi-particles excitations of Lorentzian pulses is demonstrated and results are in quantitative agreement with the theoretical predictions at finite temperature., Réaliser des expériences d'interférence à quelques électrons est un enjeu majeur de l'optique électronique. Ceci nécessite de disposer d'une source inédite capable d'émettre de manière systématique un nombre arbitraire de quasi-particules formant un paquet d'onde cohérent. Considérons une source de courant résultant de l'application de pulses de tensions sur un canal unidimensionnel balistique. Généralement, la charge q émise par pulse est accompagnée d'une quantité statistique N+ d'électrons et de trous, de charge totale nulle. Cependant, ces excitations supplémentaires disparaissent pour des pulses Lorentziens. Alors le nombre de quasi-particules émises est certain, et on réalise ainsi une source fiable à n-électrons indiscernables. Dans ce travail de thèse, nous réalisons cette source en appliquant des pulses de tension sub-nanosecondes sur un contact ponctuel quantique (QPC) réalisé sur une hétérostructure d'GaAs/AlGaAs. Lorsque le QPC n'est pas utilisé à transmission parfaite, le bruit de partition permet de compter le nombre d'excitations. Cette mesure permet de tester la disparition de N+ pour des pulses Lorentziens injectant des charges entières, et apporte également des informations sur la nature des excitations, notamment une spectroscopie des processus d'absorption et d'émission de photon qui leur donnent naissance. Nos expériences comparent des pulses Lorentziens, sinusoïdaux et carrés et montre les particularités de l'excitation générée par les pulses Lorentziens. Les résultats expérimentaux, qui incluent les effets de température, sont en accord quantitatif avec les prédictions théoriques.

THE PROJECT OF THIS THESIS WAS TO EXPERIMENTALLY REALIZE THE IMPLEMENTATION OF QUANTUM DOT CIRCUITS (QD) IN A CIRCUIT CAVITY QUANTUM ELECTRODYNAMICS (CQED) ARCHITECTURE. THE INTEREST OF SUCH HYBRID SYSTEMS LIES IN THE LIGHT-MATTER INTERACTION THAT OCCURS BETWEEN THE CAVITY MICROWAVE PHOTONS AND THE ELECTRONS OF THE QD. IN THIS THESIS WORK, CARBON NANOTUBES HAVE BEEN CHOSEN AS THE MATERIAL FOR THE QDS. INDEED, IT IS POSSIBLE TO OBSERVE VARIOUS ELECTRONIC TRANSPORT REGIMES IN SUCH SYSTEMS (FABRY-PEROT, COULOMB BLOCKADE AND KONDO). THEIR VERSATILITY IS ALSO A KEYPOINT AS IT IS POSSIBLE TO CONTACT THEM WITH VARIOUS TYPE OF METAL ELECTRODES (NORMAL, SUPERCONDUCTOR, FERROMAGNETIC METAL). THE EXPERIMENTAL REALIZATION OF SUCH DEVICES HAS SHOWN AN ELECTRON-PHOTON COUPLING OF THE ORDER OF 100MHZ, COMPARABLE TO STANDARD CQED COUPLINGS. THIS COUPLING IS TUNABLE BY PURELY ELECTRIC CONTROL. FINALLY, WEHAVE DEMONSTRATED THE DISTANT INTERACTION BETWEEN TWO QDS, SEPARATED BY 80µM, VIA THE MICROWAVE CAVITY PHOTONS. THESE RESULTS SHOWS THAT THESE DEVICES CAN BE USED FOR MANIPULATING THE QUANTUM INFORMATION AS WELL AS FOR SIMULATE ON-CHIP CONDENSED MATTER SITUATIONS. WE HAVE THEREFORE BEEN ABLE TO MEASURE THE QUANTUM CAPACITANCE OF THE QDS, AND IN PARTICULAR IN THE KONDO REGIME. WE HAVE ALSO SIMULATED THE ELECTRON-PHONON POLARONIC SHIFT IN THE CASE OF THE DISTANT INTERACTION BETWEEN THE TWO QDS., CETTE THESE A EU POUR OBJET DE REALISER EXPERIMENTALEMENT L'INTEGRATION DE CIRCUITS DE BOITE QUANTIQUE (QD) DANS UNE ARCHITECTURE D'ELECTRODYNAMIQUE QUANTIQUE EN CAVITE SUR CIRCUIT (CQED). L'INTERET DE CES SYSTEMES HYBRIDES RESIDE DANS L'INTERACTION LUMIERE-MATIERE QUI S'OPERE ENTRE LES PHOTONS DE LA CAVITE MICROONDE ET LES ELECTRONS DU QD. DANS CE TRAVAIL DE THESE, IL A ETE CHOISI D'UTILISER DES NANOTUBES DE CARBONE COMME MATERIAU POUR LES QDS. EN EFFET, ILS PERMETTENT L'OBSERVATION DE DIFFERENTS REGIMES DE TRANSPORT ELECTRONIQUE (FABRY-PEROT, BLOCAGE DE COULOMB ET KONDO) ET ILS SONT EGALEMENT POLYVALENTS VIS-A-VIS DES MATERIAUX AVEC LESQUELS IL EST POSSIBLE DE LES CONTACTER (METAL NORMAL, SUPRACONDUCTEUR, FERROMAGNETIQUE). LA REALISATION EXPERIMENTALE DE CES DISPOSITIFS A PERMIS DE MESURER UN COUPLAGE ELECTRON-PHOTON DE L'ORDRE DE 100MHZ, COMPARABLE AUX COUPLAGES OBTENUS EN CQED TRADITIONNELLE. CE COUPLAGE EST REGLABLE PAR DES MOYEN PUREMENT ELECTRIQUES. ENFIN, NOUS AVONS MIS EN EVIDENCE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE DEUX QDS SEPARES DE 80µM, PAR L'INTERMEDIAIRE DES PHOTONS MICROONDES. CES RESULTATS DEMONTRENT LE POTENTIEL DE CES DISPOSITIFS POUR DES APPLICATIONS A LA MANIPULATION DE L'INFORMATION QUANTIQUE AINSI QUE LA SIMULATION SUR PUCE DE PROBLEMES DE MATIERE CONDENSEE. NOUS AVONS PU AINSI MESURER LA CAPACITE QUANTIQUE DES QDS, NOTAMMENT DANS LE REGIME KONDO, ET SIMULER LE DECALAGE POLARONIQUE ELECTRON-PHONON, DANS LE CAS DE L'INTERACTION A DISTANCE ENTRE LES DEUX QDS.

Electronic cooling in Superconductor - Insulator - Normal metal (S-I-N) junction is based on the energy selectivity of electron tunneling induced by the superconductor energy gap. Nevertheless, the efficiency of coolers based on such junctions is usually significantly less than theoretically expected. After introducing the principle of superconducting micro-coolers, we present the fundamental limitations to electronic cooling. We focus on the different thermal couplings between electron and phonon thermal baths and the relaxation of hot quasi-particles deposited in the superconductor. We have designed an experiment to monitor independently electron and phonon temperatures. An electronic cooler was studied under out-of-equilibrium conditions, in both the cooling and the heating regimes. The results are interpreted using a thermal model, which takes into account the heat transfers between the electron, phonon and photon baths. In particular, the photonic heat flow related to the thermal noise arising in the circuit resistors can bring an additional heat contribution, depending on the transmission of the biasing circuit. Moreover, we investigate the enhancement of quasi-particles relaxation under magnetic field, leading to an enhanced quasi-particle relaxation. Finally we develop a process enabling to fabricate a S-I-N-I-S cooler with large junctions and a suspended Normal metal island decoupled from the substrate.; Le refroidissement électronique de jonctions tunnel Supraconducteur - Isolant - métal Normal (S-I-N) a lieu grâce la bande d'énergie interdite du supraconducteur, qui agit tel un filtre laissant passer les électrons les plus énergétiques par effet tunnel. Cependant, l'efficacité de tels refrigérateurs électroniques est habituellement plus faible que les prédictions théoriques. Après l'introduction des équations basiques décrivant le refroidissement électronique dans une jonction tunnel, nous présentons les différentes limitations fondamentales, parmi elles les couplages thermiques entre bains thermiques d'électrons ou de phonons et la relaxation des quasi-particules. Afin d'avoir une meilleure compréhension des différents couplages thermiques en jeu, nous avons mis au point une expérience permettant de mesurer indépendamment la température des électrons et des phonons. Un réfrigérateur hors équilibre est ainsi étudié dans les régimes de refroidissement et de chauffage. Les résultats sont interprétés en utilisant un modèle thermique qui tient compte des transferts de chaleur entre électrons, phonons et photons. En particuliers, le canal photonique de chaleur lié au bruit thermique dans les résistances du circuit apporte une contribution de chaleur supplémentaire dépendant de la transmission du circuit de couplage. Enfin nous nous sommes intéressées à l'amélioration du refroidissement électronique sous champ magnétique, facilitant la relaxation des quasi-particules dans le supraconducteur. Enfin nous avons développer un procédé de fabrication permettant d'obtenir de large jonctions S-I-N-I-S avec un ilôt métallique suspendu totalement découplé du substrat.

Le concept de théorie effective, en tant que modèle s'appliquant dans une certaine gamme d'énergie et/ou pour un régime restreint de paramètres, s'est enrichi des idées du groupe de renormalisation qui peut relier deux modèles a priori bien distincts par un changement continu d'échelle. L'intuition physique resurgit, même pour des problèmes d'apparence formelle, où il s'agit bien souvent de deviner les briques élémentaire, les quasiparticules, qui vont façonner le comportement physique, par exemple à basse énergie. Dans cet exposé, je soulignerai la récurrence de ce concept dans mes recherches en atomes froids et en physique mésoscopique de ces cinq dernières années. Je débuterai par une introduction aux problèmes à trois et quatre corps dans les gaz d'atomes froids où des propriétés universelles émergent lorsque les interactions entre atomes deviennent résonantes. Je parlerai ensuite des gaz de fermions fortement déséquilibrés, étudiés par exemple dans le groupe de Christophe Salomon et Frédéric Chevy au LKB, et de la pertinence de la notion de gaz de Fermi de polarons pour décrire les profils de densités observés. Je présenterai pour poursuivre les expériences de transport dans les nanotubes de carbone, comme celles réalisées au LPA dans le groupe de Takis Kontos, et le modèle Kondo pour le couplage d'une impureté aux électrons des électrodes. Je profiterai de cette occasion pour introduire l'approche de liquide de Fermi de ce problème initiée par Nozières. Je finirai mon exposé par une discussion du circuit RC quantique, un sujet auquel je me suis beaucoup intéressé ces dernières années en lien avec une expérience remarquable réalisée au LPA dans le groupe de physique mésoscopique. Je montrerai comment le concept de liquide de Fermi permet de comprendre l'apparition de résistances universelles quantifiées pour ce circuit quantique.

Mesoscopic physic is currently dominated by transport measurements that extract overall electronic properties of the studied sytstems. Tunneling spectroscopy gives access to the local density of states (LDOS). Hence, we can probe the spatial evolution of the electronic properties especially at the interface between two materials with different properties. During this thesis, we built-up a scanning probe microscope at 100mK that combine both atomic force microscopy (AFM) and scanning tunneling microscopy (STM). AFM helps to locate a single nanocircuit on insulating substrate thanks to a Length Extension Resonator (LER). We can then measure the tunneling spectroscopy on the conductive nanocircuit. The energy resolution of the system is of 70µeV. We show the experimental proof of such a system by measuring the proximity effect in copper island (normal island) connected by two superconducting leads in aluminum at equilibrium, out of equilibrium and with a magnetic field. We also measured the LDOS of graphene on Ir(111) that displays electronic properties close to the one of intrinsic graphene with p-doping of about 0.34eV. We observe spatial inhomogeneities of this doping forming charge puddles with a typical size af about 9nm. Those observations are close to previous results reported on graphene on SiO2. However, the profile of the measured puddles shows a strong correlation with the topography due to the modulation of the electrostatic potential induced by the metal below the graphene. A closer look to the DOS shows quasiparticles interferences forming DOS inhomogeneities. The typical size of the DOS structures is of the order of the Fermi wavelength with a linear dependence with energy as E=ħvFk with vF = 8.3±0.7x10^5m/s which is close to the theoretical Fermi velocity of 1x10^6m/s. This point out the presence intravalley scattering and demonstrate the fact that particles in graphene on Ir(111) are Dirac fermions without mass., La physique mésoscopique est actuellement dominée par des mesures de transport permettant d'extraire les propriétés électroniques globales des systèmes étudiés. La spectroscopie tunnel permet d'avoir un accès direct à la densité d'états locale (LDOS). Nous pouvons donc sonder les évolutions spatiale des propriétés électroniques notamment à l'interface entre 2 matériaux possédant des propriétés différentes. Au cours de cette thèse, nous avons développé un microscope à sonde locale qui combine microscopie à force atomique (AFM) et microscopie à effet tunnel (STM) et qui fonctionne à 100mK. L'AFM permet de localiser un nanocircuit unique sur un substrat isolant grâce à un Length Extension Resonator (LER). Nous pouvons ensuite mesurer la spectroscopie tunnel locale du nanocircuit conducteur. La résolution énergétique obtenue avec ce système est de 70µeV. Nous avons montré la faisabilité expérimentale d'une telle étude en mesurant l'effet de proximité sur un îlot de cuivre (métal normal) connecté par deux électrodes supraconductrices en aluminium à l'équilibre, hors-équilibre et sous champ magnétique. Nous avons également mesuré la LDOS du graphène sur Ir(111) qui présente des propriétés proches du graphène intrinsèque avec un dopage de type p de l'ordre de 0.34eV. Nous avons observé que ce dopage fluctue spatialement avec la présence de poches de charges avec une taille typique de l'ordre de 9nm. Ces observations sont similaires à des résultats déjà reportés sur des systèmes graphène sur SiO2. Cependant, le profil des poches que nous avons mesuré montre une forte corrélation avec la topographie due à une modulation du potentiel électrostatique induit par le métal sous le graphène. Une analyse plus fine a permis également de réveler la présence d'interférences de quasiparticules se traduisant par une inhomogénéité de la DOS. La taille typique des structures est de l'ordre de la longueur d'onde de Fermi avec une dépendance linéaire avec l'énergie selon E=ħvFk avec vF = 8.3±0.7x10^5m/s proche de la vitesse de Fermi théorique de 1x10^6m/s. Cela met évidence la présence de diffusion intravallée et prouve le caractère de fermions de Dirac sans masse des particules du graphène sur Ir(111).

This thesis is devoted to the implementation of quantum optics experiments in a ballistic quantum conductor, with single charge resolution. A mesoscopic capacitor produces on-demand single-electron excitations in the outermost edge channel of quantum Hall effect. We measure current fluctuations after partitioning of excitations on an electronic beamsplitter, in analogy with the Hanbury-Brown & Twiss experiment, so as to unveil neutral excitations (electron/holes pairs) that can accompany the emission of the charge. Thermal excitations in the Fermi sea are then responsible for two-particle interferences that yield information on the energy distribution of the generated quasiparticles. Using two independent and synchronized sources, we generate two indistinguishable quasiparticles that interfere on a beamsplitter as in the Hong-Ou-Mandel experiment. The visibility of this phenomenon could be limited by decoherence of the wavepackets due to interactions with the environment and especially with other co-propagating edge channels. By measuring the capacitive coupling between two co-propagating edge channels, we characterize the effects of Coulomb interaction on propagation and highlight a neutral mode of propagation. These experiments constitute the first implementations of electron quantum optics experiments with single charges. They pave the way to more complex experiments such as the tomography of a mono-electronic wavepacket., Cette thèse est consacrée à la manipulation d'excitations mono-électroniques dans un conducteur quantique balistique, par l'implémentation d'expériences d'optique quantique électronique avec la résolution d'une charge élémentaire. Une capacité mésoscopique produit à la demande des excitations monoélectroniques dans le canal de bord externe de l'effet Hall quantique. Nous mesurons les fluctuations de courant après partitionnement des excitations sur une lame séparatrice électronique, dans un analogue de l'expérience de Hanbury-Brown & Twiss, afin de révéler les excitations neutres (paires électron/trou) qui peuvent accompagner la charge produite. Les excitations thermiques dans la mer de Fermi sont alors responsables d'interférences à deux particules qui permettent d'obtenir des informations sur la distribution en énergie des quasiparticules émises par la source. A l'aide de deux sources indépendantes et synchronisées, nous générons deux quasi-particules indiscernables, qui interfèrent sur une lame séparatrice dans un analogue de l'expérience de Hong-Ou-Mandel. La visibilité de ce phénomène est possiblement limité par la décohérence des paquets d'ondes électroniques par interaction avec l'environnement, notamment les autres canaux de bords. En mesurant le couplage capacitif entre deux canaux de bords co-propageant, nous caractérisons les effets de l'interaction coulombienne et mettons en évidence un mode neutre de propagation. Ces expériences constituent les premières implémentations d'expériences d'optique quantique électronique avec des charges uniques, et permettent d'envisager des expériences plus complexes comme la tomographie d'un paquet d'onde mono-électronique.