Tests de la thermodynamique quantique avec des sondes locales – TQT

Dans notre travail, nous avons appliqué des méthodes théoriques existantes et en avons développé de nouvelles. D'une part, nous avons appliqué des méthodes bien établies telles que la théorie de transport à travers un diffuseur de Landauer, l'équation de transport de chaleur, l'électrodynamique fluctuante, etc. Dans un travail commun aux deux groupes, nous avons développé une nouvelle approche pour décrire la dissipation spatialement résolue dans le transport à l'échelle nanométrique : nous avons combiné une équation de Boltzmann avec la théorie de la diffusion à la Landauer et conçu un schéma numérique pour traiter ce problème. Nous avons également développé une nouvelle approche basée sur un réseau neuronal pour reconstruire la configuration du potentiel dans une hétérostructure semi-conductrice à haute mobilité à l'aide de la microscopie à grille locale.

Les deux équipes partenaires de l'IPCMS et du LPMMC travaillaient ensemble sur la dissipation d'énergie résolue spatialement dans le transport quantique électronique. Comme première étape vers une théorie générale décrivant les flux couplés de charge et de chaleur, nous avons étudié un modèle d'électrons dans deux fils unidimensionnels semi-infinis, reliés par un diffuseur élastique local. La dissipation dans les fils est prise en compte par un temps de relaxation dans le cadre de l'équation de Boltzmann, et le diffuseur conduit à des conditions de raccordement entre les fonctions de distribution des électrons à l'interface entre les deux fils.

Alors que la chute de tension se produit près du diffuseur, il s'avère que le profil spatial de chauffage/refroidissement s'étend sur des distances de l'ordre du libre parcours moyen. Un comportement non-monotone avec des points chauds et des points froids peut se produire en fonction de la dépendance en énergie de la transmission du diffuseur. En particulier, nous trouvons des cas où le comportement de chauffage/refroidissement diffère qualitativement des attentes d'une estimation basée sur la théorie de la diffusion de Landauer. Ces résultats sont expliqués en détail dans un article [Leumer et al., arXiv:2407.10192] qui a été écrit ensemble par tous les membres du consortium.

Les effets de la dépendance en énergie de la transmission sur la dissipation totale des deux cotés du diffuseur ont été étudiés à IPCMS dans le cadre de l'approche de Landauer, pour le cas particulier et expérimentalement pertinent d'un contact ponctuel quantique dans un gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) [Blaas-Anselmi et al., SciPost Phys. 12, 105 (2022)]. La pertinence des changements de transmission en fonction de l'énergie pour une dissipation d'énergie asymétrique a été confirmée. En parallèle, une méthode a été développée pour extraire le potentiel de désordre vu par les électrons dans un 2DEG à partir de données de microscopie à grille locale [Percebois et al., SciPost Phys. 15, 242 (2023)].

Le partenaire au LPMMC a réalisé une étude du chauffage local fourni par le rayonnement micro-ondes d'une pointe locale sur un supraconducteur [Karki et al., PRB 106, 155419 (2022)]. Il est intéressant qu'une bi-stabilité se produit dans l'équilibre entre le chauffage et le refroidissement des phonons, conduisant à des solutions stationnaires à différentes températures. Il a été constaté qu'une petite région normale peut être induite sous la pointe, avec une paroi de domaine nette, offrant ainsi un nouveau moyen de sonder localement les propriétés des échantillons supraconducteurs. Parallèlement, une étude des performances possibles des cellules solaires à porteurs chauds a été réalisée [Tesser et al., PRAppl 19, 044038 (2023)].

La compréhension du chauffage et du refroidissement avec résolution spatiale pour un modèle unidimensionnel avec un diffuseur local pourrait être un premier pas vers l'étude de la situation plus générique des systèmes bi-dimensionnels mesurés par un microscope thermique à balayage, comme c'est le cas dans les expériences. On pourrait espérer de mieux comprendre le chauffage et le refroidissement locaux dans le transport quantique, ce qui pourrait ensuite être exploité dans les expériences et dans les dispositifs pour les applications. La sonde de chauffage local proposée pour étudier et manipuler les matériaux supraconducteurs mérite également plus d'attention car elle pourrait devenir un nouvel outil pour sonder les propriétés locales des dispositifs supraconducteurs.

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.