Projet ANR-11-IS04-0001 – DYMESYS : Etude de la dynamique en temps réel de systèmes mésoscopiques fortement corrélés.
Programme : Blanc International II - SIMI 4 - Physique (Blanc Inter II SIMI 4)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Pascal SIMON (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD)
Partenaires : Laboratoire de Physique des Solides; Laboratoire public
Montant : 200081.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Etude de la dynamique en temps réel de systèmes mésoscopiques fortement corrélés.Décrire le transport hors équilibre à travers une boîte quantique en régime Kondo et de manière plus générale une nanostructure mésoscopique corrélée, et d’autre part de caractériser expérimentalement par le transport la dynamique des excitations à haute fréquence dans une boîte quantique.
ObjectifsLes objectifs initiaux de ce projet sont d’une part de construire des outils théoriques numériques susceptibles de décrire le transport hors équilibre à travers une boîte quantique en régime Kondo et de manière plus générale une nanostructure mésoscopique corrélée, et d’autre part de caractériser expérimentalement par le transport la dynamique des excitations à haute fréquence. Pour réaliser ces objectifs, nous avions planifié sur le plan théorique de développer une approche de groupe de renormalisation fonctionnel en temps réel afin de calculer la dépendance en fréquence de la conductance, du bruit en émission ou en absorption et plus généralement la matrice T. Nous envisagions dans un premier temps une géométrie simple avec une boîte quantique couplée à deux réservoirs, l’idée étant de l’étendre à des géométries plus complexes par la suite. Sur le plan expérimental, l’objectif était de mesurer le bruit à fréquence finie en émission et en absorption d’une boîte quantique tout en comprenant bien les effets de décohérence intrinsèque induit par la présence du voltage. Enfin, le dernier objectif du projet était d’étudier la réponse dynamique à une variation brutale d’un paramètre expérimental comme le voltage ou un potentiel de grille.
Groupe de renormalisation fonctionnelsNous avons étendu le groupe de renormalisation fonctionnel que nous avions développé dans nos précédents travaux pour étudier l’effet d’un champ magnétique sur le transport hors-équilibre à travers une boîte quantique. . Nous avons montré que les équations de renormalisation des constantes d’échange devenaient fortement anisotropiques. Cela entraîne des singularités dans le bruit à fréquence finie lorsque la fréquence prend les quatre valeurs suivantes  |eV+B|,|eV-B|,- |eV+B|,-|eV-B| où V désigne  le voltage et B le champ magnétique.De plus, nous avons montré que la présence du champ entraine une anisotropie dans la décohérence du spin les directions transverses et longitudinales et une forte source de déphasage supplémentaire pour le spin de la boîte quantique. Une des conséquences mesurable expérimentalement est une forte diminution des résonances étroites prédites pour la conductance ac hors-équilibre. Dans le cadre de la thèse expérimentale de Julien Basset nous avions réalisé la première mesure des fluctuations de courant à haute fréquence dans le régime Kondo sur une boîte quantique réalisée avec un nanotube de carbone. Cela a été obtenu par couplage du détecteur quantique  de bruit (une jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (SIS)) via un circuit résonant supraconducteur.  Une singularité dans le bruit reliée à la résonance Kondo avait pu être mis en évidence à la tension V= hf/e lorsque la fréquence de mesure f est de l'ordre de  kBTK/h. Cette singularité est fortement diminuée lorsque la fréquence est de l'ordre de 3kBTK/h. Ce comportement est en bon accord avec les prédictions théoriques si l'on considère un taux de déphasage du spin plus important induit par la tension appliquée.
Résumé de la soumission : Les développements récents dans la fabrication et la manière d’opérer des systèmes nanoélectroniques de quelques centaines d’Angstrœm  voire  moins, sont susceptibles d’affecter les technologies futures et de servir de brique élémentaire pour le stockage de l’information, le calcul quantique ou la manipulation de spin. Comprendre comment ces systèmes nanométriques opèrent représente un défi majeur pour la physique théorique et expérimentale. Pour atteindre ce but, il apparaît d’abord nécessaire d’appréhender les mécanismes  fondamentaux qui gouvernent leur comportement and donc de développer une théorie précise du transport et des corrélations à l’échelle atomique et dans les systèmes mésoscopiques. Plus spécifiquement, afin de trouver des méthodes efficaces pour manipuler et contrôler les courants de spin, nous devons connaitre les processus microscopiques qui mènent à la relaxation et à la décohérence de spin ainsi que le rôle joué par les interactions.Dans ce projet, notre objectif est de comprendre le transport en dehors de l’équilibre dans les systèmes mésoscopiques corrélés. Pour atteindre ce but, nous nous proposons d’utiliser l’expertise de deux partenaires de recherche. Le premier, le laboratoire de physique des solides à Orsay, comprend deux équipes, l’une théorique dirigée par Pascal Simon l’autres expérimentale dirigés par Richard Deblock. Le deuxième partenaire, l’université d’Oradea en Roumanie comprend une équipe théorique dirigée par Catalin Pascu Moca. Nous prévoyons d’étudier le transport loin de l’équilibre dans les systèmes mésoscopiques en présence d’interactions fortes en combinant des méthodes puissantes de théorie quantiques des champs et d’analyse numérique  avec une approche expérimentale permettant de tester les prédictions théoriques. Nos groupes de recherche vont développer de nouvelles méthodes théoriques pour appréhender le transport de charge et de spin loin de l’équilibre dans ces systèmes nanométriques. Plus précisément, nous planifions de construire une approche  de groupe renormalisation en temps réel et de l’utiliser pour analyser le comportement en fréquence de diverses quantités physiques caractérisant le transport en dehors de l’équilibre. Nous avons entre-autres en tête une analyse détaillée de la conductance ac de spin et de charge, des processus de diffusion, des processus de relaxation et bien d’autres propriétés de transport. Nous allons aussi étudier le problème du «quench» quantique dans les systèmes corrélés de type Kondo, c’est-à-dire l’implication sur le transport et les fonctions de réponse d’une variation brutale d’un des paramètres de l’hamiltonien. Pour atteindre cet objectif, nous comptons porter un projet ambitieux en étendant notre code actuel  de groupe de renormalisation numérique, le  code «Flexible-DMNRG»,  en incorporant les processus dépendant du temps.Sur le plan expérimental, nous planifions la fabrication de détecteurs quantiques pour  les mesures du bruit à fréquence finie dans les boîtes quantiques en régime Kondo fabriquées à partir de nanotube de carbone. Le problème du «quench» quantique sera également analysé expérimentalement à l’aide de sondes de tension pulsées. Cela nous permettra d’enregistrer différentes quantités comme la conductance ou le bruit après une variation subite d’un des paramètres du système. Nous pensons que notre approche est optimale pour attaquer ces problèmes de dynamique en temps réel et que la complémentarité entre théorie et expérience est une des forces du présent projet. Plus précisément, les avancées expérimentales motiveront et guideront les développements théoriques tout au long de ce projet.
Résultats : Nous avons mis en évidence des singularités dans le bruit à fréquence finie lorsque la fréquence prend les quatre valeurs suivantes  |eV+B|,|eV-B|,- |eV+B|,-|eV-B| où V désigne  le voltage et B le champ magnétique.
De plus, nous avons montré que la présence du champ entraine une anisotropie dans la décohérence du spin les directions transverses et longitudinales et une forte source de déphasage supplémentaire pour le spin de la boîte quantique. Une des conséquences mesurable expérimentalement est une forte diminution des résonances étroites prédites pour la conductance ac hors-équilibre.
Expérience : Dans le cadre de la thèse de Julien Basset nous avions réalisé la première mesure des fluctuations de courant à haute fréquence dans le régime Kondo sur une boîte quantique réalisée avec un nanotube de carbone [2]. Cela a été obtenu par couplage du détecteur quantique  de bruit (une jonction supraconducteur/isolant/supraconducteur (SIS)) via un circuit résonant supraconducteur [3]. Une singularité dans le bruit reliée à la résonance Kondo avait pu être mis en évidence à la tension V= hf/e lorsque la fréquence de mesure f est de l'ordre de  kBTK/h. Cette singularité est fortement diminuée lorsque la fréquence est de l'ordre de 3kBTK/h. Ce comportement est en bon accord avec les prédictions théoriques si l'on considère un taux de déphasage du spin plus important induit par la tension appliquée.
Perspectives : Nous avons commencé avec le partenaire Roumain l’extension du groupe de renormalisation fonctionnel à une boîte quantique Kondo couplée à plusieurs terminaux de conduction.
Sur le plan expérimental, Ces mesures ont été les premières réalisées dans ce régime et demandent à être affinées. En particulier une maximisation du signal détecté pourrait permettre d'accéder à des détails plus fins de cette singularité et tester plus précisément l'accord avec les prédictions théoriques. Ces dernières mettent en particulier l’accent sur l’intérêt du comportement du bruit en présence de champ magnétique. Pour améliorer la sensibilité du système de détection nous cherchons à modifier le circuit de couplage pour obtenir une finesse spectrale de détection plus importante tout en conservant voire augmentant la force du couplage entre la source de bruit et le détecteur. Différents types de circuit sont à l’étude et sont actuellement testés à basse température.
Publications et brevets : [1] J. Basset, A. Kasumov, C. P. Moca, G. Zarand, P. Simon, H. Bouchiat, R. Deblock, Phys. Rev. Lett. 108, 046802 (2012).
[2] D.-J. Choi, M. V. Rastei, P. Simon, L. Limot, Phys. Rev. Lett. 108, 266803 (2012). 
[3] J.-S. Lim, R. Lopez, L. Limot, P. Simon, L. Limot, Phys. Rev. B 88, 165403 (2013)
[4] Julien Basset, Hélène Bouchiat, Richard Deblock, Phys.Rev.B 85, 085435 (2012).
[5] C. P. Moca, P. Simon, C.-H. Chung, G. Zarand,  arXiv:1312.4686