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Thèse Année : 2014

Emerging concepts in time-resolved quantum nanoelectronics

Concepts émergents en nanoélectronique quantique résolue en temps

Benoit Gaury
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 967054

Résumé

With the recent technical progress, single electron sources have moved from theory to the lab. Conceptually new types of experiments where one probes directly the internal quantum dynamics of the devices are within grasp. In this thesis we develop the analytical and numerical tools for handling such situations. The simulations require appropriate spatial resolution for the systems, and simulated times long enough so that one can probe their internal characteristic times. So far the standard theoretical approach used to treat such problems numerically—known as Keldysh or NEGF (Non Equilibrium Green’s Functions) formalism—has not been very successful mainly because of a prohibitive computational cost. We propose a reformulation of the NEGF technique in terms of the electronic wave functions of the system in an energy–time representation. The numerical algorithm we obtain scales now linearly with the simulated time and the volume of the system, and makes simulation of systems with 10^5 - 10^6 atoms/sites feasible. We leverage this tool to propose new intriguing effects and experiments. In particular we introduce the concept of dynamical modification of interference pattern of a quantum system. For instance, we show that when raising a DC voltage V on an electronic Mach-Zehnder interferometer, the transient current response oscillates as cos(eVt/ħ). We expect a wealth of new effects when nanoelectronic circuits are probed fast enough, and the tools and concepts developed in this work shall play a key role in the analysis and proposal of upcoming experiments.
Grâce aux progrès techniques récents, les sources d’électrons uniques sont passées de la théorie au laboratoire. Des expériences conceptuellement nouvelles où l’on sonde directement la dynamique quantique interne des systèmes sont désormais possibles. Dans cette thèse nous développons les outils analytiques et numériques pour analyser et comprendre ces problèmes. Les simulations requièrent une résolution spatiale appropriée pour les systèmes, et des temps simulés suffisamment longs pour sonder leurs temps caractéristiques. Jusqu’à présent l’approche théorique standard utilisée pour traiter de tels problèmes numériquement—connue sous les dénominations de formalisme Keldysh ou NEGF (Fonctions de Green Hors Equilibre)—n’a pas été très fructueuse, principalement à cause du coût en temps de calcul prohibitif. Nous proposons une reformulation de cette technique sous la forme des fonctions d’onde électroniques du système dans une représentation énergie–temps. Le coût de calcul de notre algorithme numérique est maintenant linéaire avec le temps simulé et le volume du système, rendant possible la simulation de système contenant 10^5 - 10^6 atomes/sites. Nous utilisons cet outil pour proposer de nouveaux effets intrigants ainsi que des expériences. Nous introduisons la modification dynamique du motif d’interférence d’un système quantique. Nous montrons, par exemple, que la montée d’une tension DC V sur un interféromètre électronique produit un régime transitoire où le courant oscille comme cos(eVt/ħ). Nous prévoyons une grande variété d’effets nouveaux lorsque les circuits de nanoélectronique sont sondés très rapidement. Les outils et concepts développés dans cette thèse auront un rôle clé dans l’analyse et les propositions des expériences à venir.
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Dates et versions

tel-01163511 , version 1 (13-06-2015)
tel-01163511 , version 2 (19-01-2017)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01163511 , version 1

Citer

Benoit Gaury. Emerging concepts in time-resolved quantum nanoelectronics. Physics [physics]. Université de Grenoble, 2014. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01163511v1⟩
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