Thèse Théorie Unifiée Hors Équilibre de la Génération et de Détection de Rayonnement Quantique dans l'Effet Hall Quantique et les Circuits de Jonctions Josephson 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 : Inès SAFI-TAKTAK ORCID 0000000281739944 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-04-18T23:59:59 **WP1 : Radar quantique à électron unique et rayonnement quantique**
WP1 vise le développement théorique d'un radar quantique à électron unique pour sonder le rayonnement quantique non stationnaire dans des conducteurs mésoscopiques, s'appuyant sur l'optique quantique électronique et la cohérence des états de bord chiraux de l'effet Hall quantique.
Les interactions de Coulomb entre canaux de bord génèrent des modes plasmoniques collectifs, vecteurs naturels du rayonnement quantique. L'approche de la matrice de diffusion plasmonique [6] fournit une description unifiée des excitations individuelles et collectives. Dans le cadre de la théorie perturbative unifiée hors équilibre (UNEP) [1,2], nous analyserons les corrélateurs de courant à fréquence finie et exploiterons les relations universelles avec le courant DC et les excitations AC pour optimiser la génération d'états plasmoniques comprimés. Un point quantique ponctuel (QPC) piloté par des tensions dépendantes du temps agit comme source quantique non linéaire.

Les cavités plasmoniques formées par des états de bord isolés [4] permet de renforcer les interactions et de façonner les propriétés spectrales et temporelles du rayonnement. Le QPC assure un couplage non linéaire entre excitations individuelles et modes de cavité. Le rayonnement sera sondé via le concept de radar quantique [3,4], basé sur un interféromètre à électron unique. Les interactions induisent un désphasage par échanges d'énergie inélastiques, et la moyenne et bruit de courant interférométriques à fréquence finie à la sortie sont relies aux propriétés du champ électromagnétique.

L'objectif est d'identifier des signatures expérimentales accessibles du rayonnement quantique et de la compression dans ces observables interférométriques et de déterminer les limites de sensibilité des sondes à électron unique.

**WP2 : Rayonnement micro-onde non classique dans les circuits à jonctions Josephson dissipatifs**
Ces circuits génèrent du rayonnement micro-onde non classique grâce à leur non-linéarité et à leur couplage aux environnements électromagnétiques. Des travaux récents ont montré la génération de rayonnement micro-onde comprimé et corrélé dans des dispositifs paramétriquement stimulés [9] et des sources à large bande comme les amplificateurs paramétriques à onde voyageuse Josephson [10].

Contrairement aux approches paramétriques, WP2 cible des régimes fortement hors équilibre, où dynamique de charge, dissipation et émission de rayonnement sont liées. L'objectif est de développer un cadre théorique basé sur UNEP [1,2] pour caractériser le rayonnement micro-onde comprimé et corrélé, traitant la dissipation comme ingrédient physique clé.

Les jonctions Josephson seront considérées dans des environnements dissipatifs ohmiques ou structurés, stimulées hors équilibre par biais DC et AC combinés. La théorie UNEP permettra de dériver des observables à fréquence finie, incluant spectres de bruit et quadratures du champ électromagnétique. Une analyse complémentaire des régimes où cette théorie perturbative échoue, par analogie avec les modèles bosonisés [8], sera réalisée.

WP2 étudiera comment la dissipation modifie le rayonnement quantique, explorant les régimes où elle supprime ou favorise la cohérence et la compression, stabilisant le rayonnement via relaxation et verrouillage de phase. Cette étude produira un diagramme de phase en fonction de l'impédance, la température et les conditions de stimulation.

Les développements s'appuient sur l'expertise d'Aleksander Latyshev et Benoît Douçot dans les circuits Josephson et le transport non perturbatif, notamment l'effet 'drag' de Coulomb médié par cotunneling de fluxons et paires de Cooper [10-12], un point de départ pour aborder les régimes où tunnel collectif et forte dissipation produisent du rayonnement non classique. Les résultats fourniront des prédictions pour les mesures micro-ondes de compression dans les circuits supraconducteurs dissipatifs.
Les circuits électroniques quantiques se situent à l'interface entre les systèmes électroniques fortement corrélés et la physique mésoscopique, et constituent une plateforme centrale pour les technologies quantiques émergentes, notamment la détection quantique et le traitement de l'information quantique. Dans ce contexte, le domaine de l'optique quantique électronique a émergé comme un cadre puissant pour étudier le transport quantique hors équilibre et le rayonnement au niveau des excitations électroniques individuelles et collectives.

Les états de bord chiraux de l'effet Hall quantique constituent l'un des conducteurs les plus favorables pour l'optique quantique électronique, agissant comme des guides d'ondes cohérents et sans dissipation, analogues électroniques des fibres optiques. Les QPCs, formés en rapprochant deux bords chiraux se propageant en sens contraire, jouent le rôle de séparateurs de faisceau électroniques réglables. En raison des statistiques fermioniques et des interactions de Coulomb, ces systèmes explorent des régimes physiques qui dépassent ceux de leurs homologues photoniques. En particulier, la bosonisation permet de décrire le transport quantique en termes de modes plasmoniques collectifs , que l'on peut considérer comme des photons chargés électriquement et qui servent naturellement de vecteurs de rayonnement quantique.

Le présent projet vise à caractériser les états individuels et collectifs des électrons et des modes plasmoniques dans des régimes non stationnaires, avec un accent particulier sur le rayonnement quantique émis par un conducteur mésoscopique stimulé et sa détection via des montages interférométriques. Un outil théorique central est l'UNEP développée au LPS Orsay [1,2], qui fournit une description indépendante du modèle du transport quantique dépendant du temps, des fluctuations de courant et de l'émission de rayonnement dans les systèmes interactifs.

Dans ce cadre, le projet développe une formulation théorique complémentaire et étendue du concept de radar quantique à électron unique au coeur de l'ANR QuSig4QuSenSe (Quantum Signal Processing for Electronic Quantum Sensing, 2021-2026). Cet effort implique Pascal Degiovanni (ENS Lyon), Gwendal Fève (ENS Paris), et, au LPS Orsay, Inès Safi avec Aleksander Latyshev (post-doctorant ANR). Le radar quantique électronique repose sur des architectures électroniques interférométriques qui sondent les champs électromagnétiques non stationnaires via la déphasage qu'ils induisent par couplage aux excitations électroniques, les interactions de Coulomb étant traitées à l'aide de l'approche de la matrice de diffusion plasmonique [6].

Comme plateforme complémentaire, le projet étudie des circuits à jonctions Josephson stimulés opérant dans des régimes fortement hors équilibre. Ces systèmes offrent un accès direct à l'interaction entre transport de charge, environnements électromagnétiques et émission de rayonnement, et constituent un banc d'essai naturel pour explorer le rayonnement micro-onde non classique au-delà du transport stationnaire. Contrairement aux architectures paramétriques classiques, l'accent est ici mis sur les régimes où dissipation, interactions et stimulation hors équilibre déterminent conjointement les propriétés du rayonnement émis. Le cadre UNEP s'applique également aux circuits à jonctions Josephson (voir aussi Ref.[7] pour les jonctions Josephson duales où un des théorèmes UNEP est retrouvé). Les descriptions bosonisées sont également valables dans certains régimes, soulevant la question des limites de l'UNEP sous des conditions de stimulation DC fortes et motivant le besoin d'approches non perturbatives complémentaires.

Cette partie du projet sera menée en étroite interaction avec Benoît Douçot (Jussieu) et l'équipe NS2 (Nanostructures at the Nanosecond Scale) au LPS Orsay. Elle bénéficiera de l'expertise d'Aleksander Latyshev [11,12,13].
L'objectif de ce projet est d'établir un formalisme unifié hors équilibre fournissant des protocoles concrets pour la génération et la détection du rayonnement quantique dans des conducteurs mésoscopiques, en utilisant le cadre de l'UNEP [1,2] comme base théorique commune. Le projet se concentre sur deux plateformes électroniques complémentaires stimulées : les états de bord chiraux de l'effet Hall quantique et les circuits à jonctions Josephson.

Dans le contexte de l'effet Hall quantique, l'objectif est de s'appuyer sur les progrès théoriques et expérimentaux récents réalisés dans le cadre de l'ANR QuSig4QuSenSe [3,4], en abordant explicitement le rôle d'interactions de Coulomb supplémentaires et réalistes au sein de l'interféromètre. D'une part, cela implique d'optimiser la génération d'états comprimés à l'aide d'un contact quantique ponctuel (QPC) ou de cavités de Hall quantique stimulées en courant alternatif étudiées dans Ref. [5]. D'autre part, il s'agit d'étendre le cadre UNEP au radar quantique électronique [3], où des paquets d'ondes électroniques jouent le rôle de sondes cohérentes du rayonnement quantique non stationnaire, comme les états comprimés.

Parallèlement, le projet étudie les jonctions Josephson stimulées en courant alternatif présentant des marches de Shapiro (ou de Bloch) et leurs contreparties duales, dans le but de clarifier les rôles des transitions interbandes (Landau-Zener), de la dissipation et des fluctuations hors équilibre.
Pour les deux plateformes, un objectif central est d'établir des liens explicites entre transport, bruit de courant et propriétés du rayonnement quantique, et de fournir des prédictions quantitatives directement pertinentes pour les expériences en cours.

Une formation solide en théorie des champs et problèmes de fermions fortement corrélés.
Compétences analytiques et numériques.
Capacité à travailler en équipe.
Rigueur intellectuelle.