Dynamique ultrarapide et cohérence quantique dans les nanoparticules - aspects électroniques et magnétiques – DECO

La compréhension de la dynamique et du transport électronique dans les nanostructures métalliques (nanoparticules ou films minces) représente un des défis actuels de la physique de la matière condensée, aussi bien pour les enjeux de physique fondamentale que pour les applications potentielles. Grâce aux développements récents des techniques de spectroscopie ultrarapide, il est aujourd'hui possible d'avoir accès à la dynamique des charges et des spins d'un gaz d'électrons à l'échelle de quelques femtosecondes, ce qui permet des comparaisons précises entre les données expérimentales et les résultats de simulations numériques issues de modèles microscopiques. La dynamique des électrons confinés dans une nanostructure métallique est caractérisée par la présence d'oscillations collectives (plasmon de surface) ayant des propriétés spectrales qui dépendent des conditions de température et de densité, ainsi que du couplage avec l'environnement. Ces mouvements collectifs sont caractérisés par un degré de cohérence qui est progressivement détruit par l'amortissement Landau (i.e. par couplage avec les degrés de liberté internes du gaz d'électrons) et par collisions électron-électron et électron-phonon. Le but principal de ce projet est l'étude de la dynamique électronique collective dans les nanoparticules, en utilisant des approches théoriques différentes mais complémentaires. Pour des petites excitations (régime linéaire), les propriétés spectrales seront étudiées avec (i) des modèles de champ moyen quantiques de type TDLDA à température finie et (ii) des techniques semi-classiques qui permettent de décrire la population électronique en termes de coordonnées du centre de masse et de coordonnées relatives. Afin d'explorer le régime non linéaire (fortes excitations) nous adopterons une (iii) approche de l'espace des phases qui repose sur la résolution d'équations cinétiques (équations de Vlasov et de Wigner). Cette dernière approche est bien adaptée pour la modélisation des effets allant au-delà du champ moyen (collisions électron-électron). Nous développerons aussi une (iv) approche de type hydrodynamique quantique, qui devrait permettre des gains importants, en terme de temps de calcul, par rapport aux méthodes plus courantes comme la théorie de la fonctionnelle de la densité. Les outils théoriques évoqués précédemment seront aussi utilisés pour étudier la cohérence quantique dans les systèmes d'électrons en interaction, pour lesquels peu de résultats existent à ce jour (la plupart des études concernent une particule unique dans un environnement donné). Ce domaine de recherche est actuellement très actif dans le contexte de l'informatique quantique. La décohérence du mouvement du centre de masse dans les nanoparticules métalliques sera étudiée en utilisant une approche semiclassique basée sur le formalisme de la matrice densité. Par ailleurs, une bonne estimation de la cohérence quantique peut être obtenue à partir de l'écho de Loschmidt, qui mesure la stabilité du système sous l'influence de petites perturbations de l'Hamiltonien. Le modèle de Wigner et l'approche hydrodynamique quantique seront utilisés pour étudier l'écho de Loschmidt dans des systèmes d'électrons en interaction. De nouveaux résultats sont attendus dans la mesure où ce problème auto-cohérent est de nature non linéaire. Finalement, nous étudierons la dynamique ultrarapide de l'aimantation dans les nanoparticules ferromagnétiques, un problème qui a suscitée, ces dernières années, un intérêt expérimental considérable. Les premières expériences concernant la désaimantation ultrabrève ont été effectuées à l'IPCMS au milieu des années 1990, mais aucune explication théorique claire n'a été apportée pour expliquer cet effet. Nous envisageons d'étudier ce problème grâce à l'utilisation des techniques développées pour la dynamique électronique, en particulier les méthodes de champ moyen quantique et de l'espace des phases, qui seront généralisées pour inclure la dynamiq...