4. L’effet tunnel ou les nouvelles règles du saute-mouton

R. Combescot

Efe Gümüs

Calorimétrie d'un saut de phase dans une jonction Josephson Le flux magnétique qui est une quantité continue dans le monde classique, devient quantifié lorsqu'il est confiné au centre d'une boucle supraconductrice. Un quantum de flux peut pénétrer ou quitter la boucle sous certaines conditions via une activation thermique ou un effet tunnel quantique macroscopique. La jonction Josephson, un élément clé des dispositifs quantiques supraconducteurs, fournit une mise en œuvre simple de cet événement lors duquel le transfert d'une paire de Cooper entre les deux réservoirs supraconducteurs est visualisé comme le tunneling transversal du quantum de flux magnétique.En réunissant ces concepts dans un dispositif d'interférence quantique supraconducteur (SQUID), il devient possible de générer un saut de phase où un quantum de flux pénètre ou quitte la boucle et la phase du supraconducteur s'enroule de 2 π de manière déterministe. Cet événement est de nature dissipative lorsque le SQUID fonctionne dans le régime hystéretique et peut donc être détecté par des méthodes de calorimétrie. Dans cette thèse, nous démontrons la détection en temps réel d'un saut de phase qui se manifeste par l'augmentation abrupte et la relaxation subséquente de la température électronique du métal normal qui sert de lien faible du SQUID. Notre système est intégré dans un résonateur micro-onde. Les sauts de phase sont générés par des impulsions nanosecondes envoyées sur un ligne de flux 'on-chip', et l'excursion de température est lue via la variation de la puissance transmise parexploitant l'effet de proximité comme thermomètre secondaire.En abordant l'observation d'un événement dissipatif élémentaire, cette thèse souligne le rôle de la dissipation omniprésente dans les dispositifs supraconducteurs et met en valeur l'utilisation potentielle des nano-calorimètres rapides dans le domaine des capteurs quantiques.

Joanne C. Baker

Maxime Arnal

Les gaz quantiques ont démontré leur capacité à imiter les propriétés d'autres systèmes et constituent, à ce titre, une plateforme privilégiée pour la simulation quantique. Ces gaz, caractérisés par un haut degré de contrôle grâce à la modulation temporelle de leurs paramètres, ont surtout été étudiés dans le régime perturbatif ou dans un régime purement chaotique. Cette thèse vise à accroître les possibilités offertes par ces dispositifs en tirant partie d'une dynamique mixte, que nous appliquons au cas du transport d'ondes de matière. Nous décrivons dans ce manuscrit plusieurs études expérimentales portant sur la dynamique d'un condensat de Bose-Einstein dans un réseau optique unidimensionnel modulé en phase et en amplitude. Les expériences présentées se classent en deux catégories : (i) le régime perturbatif, pour lequel les modulations appliquées induisent peu de chaos, et (ii) le régime mixte, où coexistent à la limite classique des trajectoires régulières et chaotiques. Dans le régime perturbatif, qui constitue le premier axe de cette thèse, nous distinguons deux domaines de modulation du réseau optique. Lorsque les fréquences de modulation sont résonantes avec la structure de bandes, nous provoquons des transitions interbandes soumises à des règles de sélection. Nous démontrons alors une nouvelle méthode de refroidissement, assimilable à une évaporation dans l'espace réciproque, utilisant ces règles de sélection. Pour une modulation de phase hors résonance, la dynamique du condensat peut être décrite par un Hamiltonien effectif. Nous étudions deux de ces Hamiltoniens, qui rendent compte pour l'un d'une transition de phase quantique et pour l'autre de la renormalisation de la profondeur du réseau. Dans chaque cas nous explorons les limites de ces modèles. Le régime mixte constitue le deuxième axe d'étude de cette thèse. L'analogue classique à notre système est le pendule modulé, bien connu pour présenter des trajectoires régulières et chaotiques. Ce comportement se manifeste au niveau quantique par la présence, en plus de la structure du réseau, d'une mer chaotique. Dans ce réseau optique habillé par le chaos, nous étudions un type de transport appelé effet tunnel assisté par le chaos, qui présente des résonances susceptibles d'amplifier ou d'inhiber l'effet tunnel entre deux positions stables au sein d'un puits du réseau. Comparé aux expériences antérieures sur ce sujet, nous nous plaçons dans une configuration différente dans laquelle nous parvenons à résoudre pour la première fois ces résonances. Pour les simulateurs quantiques, ce travail ouvre la voie à un nouveau type de contrôle, avec notamment du transport à longue portée.

Philippe Mangin, Rémi Kahn

A.C.B. Antunes, Leila Jorge Antunes

An infinite well potential containing a rectangular barrier in its center is used to verify if the passage of a quantum particle through the barrier is described by tunnel effect or 'saute-mouton'.