Tests de la thermodynamique quantique avec des sondes locales – TQT

Ce projet vise à développer des théories qui explorent comment et où la dissipation se produit dans le transport quantique à travers des nanostructures, lorsque ce transport quantique non local. Il est d'actualité car les récentes percées expérimentales dans les sondes locales ont mené à une résolution spatiale sans précédent pour l'endroit où cette dissipation se produit, ce qui nécessite une analyse théorique quantitative.

Ce projet théorique utilisera la modélisation de sondes locales dans les systèmes nanométriques pour répondre à des questions fondamentales dans le domaine de la thermodynamique quantique. La thermodynamique quantique est l'étude du chauffage, de la dissipation et de la conversion de la chaleur en travail dans les systèmes qui présentent une quantification, des effets d'interférence, d'intrication ou d'autres corrélations entre les particules quantiques individuelles. Lorsqu'elle est appliquée au transport quantique dans les nanostructures, une grande partie de cette physique est non locale. Par exemple, on sait que les effets d'interférence résultent du fait qu'un électron suit des chemins multiples à travers une nanostructure, et que les corrélations (y compris l'intrication) entre les électrons se produisent à longue distance du aux interactions de Coulomb. Des expériences récentes menées par Zeldov et son équipe ont démontré que la dissipation est également non locale. Utilisant un nanoSQUID sur une pointe comme thermomètre, ils ont obtenu la chaleur dissipée dans un dispositif nanométrique avec une résolution spatiale sans précédent, et ont montré que le chauffage par effet Joule se produit à une distance importante de la chute de tension (la résistance) qui induit le chauffage.

Les objectifs de ce projet sont doubles.
Premièrement, nous allons développer des modèles de transport de charge et de chaleur couplé, et les utiliser pour décrire la distribution thermique locale à proximité de différents dispositifs nanométriques comme les constrictions quantiques et les points quantiques. La théorie sera comparée aux expériences de thermométrie de Zeldov et son équipe, dans lesquelles les changements de température locaux sont détectés par un SQUID sur une pointe (50 nm de diamètre). Cette comparaison nous permettra de déterminer les paramètres et de valider l'approche théorique. Nous appliquerons ensuite notre théorie à des cas modèles de machines thermiques nanométriques, notamment des dispositifs de recupération d'énergie thermoélectrique, la conversion de la chaleur en travail dans les moteurs à chaleur quantique, et les dispositifs pouvant agir comme des démons de Maxwell. Pour les systèmes qui sont intéressants pour des applications en technologie quantique, nous explorerons les possibilités d'utiliser la thermométrie à l'échelle nanométrique pour localiser et comprendre la dissipation indésirable, dans le but d'améliorer ces machines thermiques et d'autres dispositifs.
Ensuite, nous proposons un nouveau mode de fonctionnement, une sorte d'équivalent thermique d'un microscope à grille locale, pour lequel nous développerons la théorie. Nous proposons de chauffer la pointe (ou d'appliquer une tension AC à la pointe) pour chauffer/exciter les électrons localement, et de mesurer l'effet sur le courant dans le dispositif. Cette méthode présente un grand avantage par rapport au microscope à grille locale classique (qui mesure l'effet d'une pointe chargée sur la conductance de l'échantillon) : la chaleur de la pointe n'est pas écrantée par les électrons de l'échantillon (contrairement à la charge de la pointe). Cette nouvelle sonde devrait donc nous fournir des informations spatiales sur la circulation du courant dans les nanostructures métalliques et supraconductrices, dans lesquelles l'écrantage est trop fort pour la microscopie à grille locale. Cette partie du projet consiste à élaborer une théorie quantitative pour les informations qu'une telle sonde peut extraire.