Thèse États Habillés d'Un Atome de Rydberg Couplé à des Niveaux de Landau H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Physique en Ile de France Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Solides Direction de la thèse : Miguel MONTEVERDE ORCID 0000000250657436 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-08-01T23:59:59 Les électrons sur l'hélium forment un système bidimensionnel ultra-pur, idéal pour l'étude des
phénomènes de Coulomb à longue portée, en raison de l'absence intrinsèque de désordre et de la
possibilité unique d'atteindre des densités très faibles, inaccessibles dans les autres systèmes
bidimensionnels. Ce système est également prometteur pour l'informatique quantique et comme
simulateur quantique. En étudiant les propriétés spectroscopiques dans des champs magnétiques
inclinés, nous avons montré que ce système peut réaliser une modélisation entièrement contrôlable d'un
atome dans une cavité électromagnétique ou d'un centre coloré dans une matrice solide. Ce système
présente également une transition quantique macroscopique unique : sous irradiation micro-ondes à des
fréquences spécifiques, il peut passer à un état de résistance nulle non dissipative (ZRS), où le nuage
d'électrons s'auto-organise collectivement pour atteindre une densité d'électrons fixe. Fait surprenant, la
densité devient indépendante de sa valeur d'équilibre initiale et de la force des confinements
électrostatiques. Nous proposons de mettre en oeuvre de nouvelles techniques d'investigation sensibles
pour sonder directement l'occupation des états excités dans ce régime de résistance nulle. Cela permettra
de dévoiler les mécanismes microscopiques de la transition qui, selon nos résultats préliminaires, pourrait
correspondre à une inversion de population. Cela sera réalisé en couplant le 2DEG à des résonateurs
diélectriques spécialement conçus, à faibles pertes, dans la gamme de fréquences de 100 à 200 GHz.
Ces investigations permettront également d'avancer les capacités de ce système en tant que simulateur
quantique pour explorer la physique quantique à plusieurs corps dans un environnement extrêmement
bien contrôlé, tant pour les électrons macroscopiques que pour les dispositifs nanostructurés sur hélium,
dans le but de développer des dispositifs d'interférence. Electrons above the surface of liquid helium are localized in a one-dimensional potential well, which is formed by the high repulsive barrier at the surface and the attractive image potential. The energy levels in the well are quantized following a Rydberg series. The electrons occupy the lowest level forming a two-dimensional system. The spectroscopic observation of transitions between the quantized series of Rydberg energy levels provided direct proof of the theoretical picture of the electron confinement and the overall nature of the confining potential which has been studied in detail both experimentally and theoretically.
Due to the absence of screening, electrons interact through long-range Coulomb-interactions and several collective effects such as Wigner crystallization were first observed in this system. The electrons on helium are free from static disorder since they are separated from electrodes and solid-state defects by a film of liquid helium with a typical depth of up to millimeters. They are also weakly coupled to the vibrational excitations in helium, ripplons and phonons, providing exceptionally high mobilities of up to 108 cm 2 /(Vs). In this PhD project we will investigate the interaction of Rydberg states of electrons trapped on a liquid Helium surface with their Landau levels induced by a perpendicular magnetic field. This system realises a prototype quantum system equivalent to an atom in a cavity, where the coupling can be tuned by a parallel magnetic field. When the coupling is sufficiently strong the transition between the ground and first excited states of the atom splits into two resonances corresponding to dressed states with vacuum and one photon in the cavity. The aim of the project is to investigate the agreement between the experimental energy shifts and the predictions of the effective atom in a cavity model in the presence of strong Coulomb interactions. We will also investigate how coupling between resonant Rydberg excitation and edge magnetoplasmon mondes can lead to new out of equilbrium steady state with counterintruite properties: incompressible state formation, and positive effective charge.

Conaisances dans le domaine de la Physique de Solides