Un condensat de paires dans un gaz tridimensionnel de fermions de spin 1/2 isolé, homogène, non polarisé, de taille finie et de température extrêmement basse, mais non nulle, subit au cours du temps ...un changement de phase θˆ(t)−θˆ(0) avec une composante aléatoire, ne serait-ce que par couplage aux phonons thermiques du gaz. À l'aide de la seconde relation de Josephson quantique reliant dθˆ/dt aux opérateurs nombres d'occupation des modes de phonons et d'équations cinétiques linéarisées donnant l'évolution des fluctuations des nombres d'occupation, nous accédons au comportement de la variance Varθˆ(t)−θˆ(0) de ce déphasage aux temps longs devant le temps de collision des phonons. Le cas où la branche de phonons est de départ convexe ressemble à celui du gaz de bosons : les processus collisionnels dominants sont ceux à trois phonons de Beliaev–Landau, si bien que la variance est la somme d'un terme balistique Ct2 et d'un terme diffusif avec retard 2D(t−t0), dont nous donnons les expressions analytiques à la limite thermodynamique. Le cas concave est beaucoup plus exotique. Nous l'analysons aux échelles de temps courtes devant T−9, ce qui permet de garder comme seuls processus collisionnels ceux 2 phonons → 2 phonons de Landau–Khalatnikov aux petits angles. Le nombre total de phonons est conservé et les nombres moyens d'occupation des phonons à l'équilibre peuvent admettre un potentiel chimique μϕ<0 supposé isotrope. La variance du déphasage est alors la somme d'un terme balistique Ct2, d'un terme diffusif 2Dt, de termes sous-sous-dominants exotiques 2A(πt)1/2+2Bln(t1/2) et d'un terme constant. Nous obtenons analytiquement l'expression des coefficients C, A et B, ainsi que le comportement dominant divergent de D et du terme constant lorsque μϕ/kBT→0. Si μϕ=0, la partie sous-balistique de la variance devient superdiffusive, de la forme d0t5/3, où d0 est connu exactement. Pour μϕ/kBT infinitésimal non nul, nous trouvons la loi interpolant entre l'étalement superdiffusif et l'étalement diffusif de cette partie sous-balistique. Comme sous-produits, nous obtenons des résultats nouveaux sur le taux d'amortissement Landau–Khalatnikov des phonons, en particulier à μϕ<0.
A condensate of pairs in an isolated, homogeneous, unpolarised, finite-size spin 1/2 tridimensional Fermi gas at an extremely low nonzero temperature undergoes with time a phase change θˆ(t)−θˆ(0) with a random component, due at least to the coupling with the thermal phonons of the gas. Thanks to the quantum second Josephson relation connecting dθˆ/dt to the phonon mode occupation numbers, and to linearised kinetic equations giving the evolution of the occupation number fluctuations, we access the behaviour of the phase change variance Varθˆ(t)−θˆ(0) at times much longer than the phonon collision time. The case where the phonon branch has a convex start is similar to the Bose gas case: the leading collisional processes are the Beliaev–Landau three-phonon processes, and the variance is the sum of a ballistic term Ct2 and of a delayed diffusive term 2D(t−t0), whose analytical expressions are given in the thermodynamic limit. The concave case is much more exotic. It is analysed at time scales much shorter than T−9, allowing one to restrict to the 2 phonons → 2 phonons small-angle Landau–Khalatnikov processes. The total number of phonons is conserved and the phonon mean occupation numbers at equilibrium can exhibit a chemical potential μϕ<0, assumed to be isotropic. The phase change variance is then the sum of a ballistic term Ct2, of a diffusive term 2Dt, of exotic subsubleading terms 2A(πt)1/2+2Bln(t1/2), and of a constant term. The analytic expression of the coefficients C, A, and B is obtained, as well as the diverging leading behavior of D and of the constant term when μϕ/kBT→0. For μϕ=0, the variance sub-ballistic part becomes superdiffusive, of the form d0t5/3, where d0 is known exactly. For a nonzero infinitesimal μϕ/kBT, a law is found, which interpolates between the superdiffusive spreading and the diffusive spreading of the sub-ballistic part. As by-products, new results are obtained on the phonon Landau–Khalatnikov damping rate, in particularly for μϕ<0.
On considère généralement que la fonction d'onde macroscopique décrivant un condensat de paires de fermions possède une phase parfaitement définie et immuable. En réalité, il n'existe que des ...systèmes de taille finie, préparés, qui plus est, à température non nulle ; le condensat possède alors un temps de cohérence fini, même lorsque le système demeure isolé tout au long de son évolution et que le nombre de particules N est fixé. La mémoire de la phase initiale se perd à mesure que le condensat interagit avec les modes excités, qui agissent comme un environnement déphasant. Cet effet fondamental, crucial pour les applications qui exploitent la cohérence macroscopique du condensat de paires, reste très peu étudié. Dans cet article, nous relions le temps de cohérence à la dynamique de phase du condensat, et nous montrons, par une approche microscopique, que la dérivée de l'opérateur phase du condensat θˆ0 par rapport au temps est proportionnelle à un opérateur potentiel chimique que nous construisons, et qui inclut les deux branches d'excitations du gaz, tant par brisure des paires que par mise en mouvement de leur centre de masse. Pour une réalisation donnée d'énergie E, θˆ0 évolue aux temps longs comme −2μmc(E)t/ħ, où μmc(E) est le potentiel chimique microcanonique ; les fluctuations de l'énergie d'une réalisation à l'autre conduisent alors à un brouillage balistique de la phase, et à une décroissance gaussienne de la fonction de cohérence temporelle avec un temps caractéristique ∝N1/2. En revanche, en l'absence de fluctuations d'énergie, le temps de cohérence diverge linéairement en N à cause du mouvement diffusif de θˆ0. Enfin, nous proposons une méthode permettant de mesurer avec un gaz d'atomes froids ce temps de cohérence, que nous prédisons être de l'ordre de la dizaine de millisecondes pour un gaz de fermions préparé dans l'ensemble canonique à la limite unitaire.
It is generally assumed that a condensate of paired fermions at equilibrium is characterized by a macroscopic wavefunction with a well-defined, immutable phase. In reality, all systems have a finite size and are prepared at non-zero temperature; the condensate has then a finite coherence time, even when the system is isolated in its evolution and the particle number N is fixed. The loss of phase memory is due to interactions of the condensate with the excited modes that constitute a dephasing environment. This fundamental effect, crucial for applications using the condensate of pairs' macroscopic coherence, was scarcely studied. We link the coherence time to the condensate phase dynamics, and we show with a microscopic theory that the time derivative of the condensate phase operator θˆ0 is proportional to a chemical potential operator that we construct including both the pair-breaking and pair-motion excitation branches. In a single realization of energy E, θˆ0 evolves at long times as −2μmc(E)t/ħ, where μmc(E) is the microcanonical chemical potential; energy fluctuations from one realization to the other then lead to a ballistic spreading of the phase and to a Gaussian decay of the temporal coherence function with a characteristic time ∝N1/2. In the absence of energy fluctuations, the coherence time scales as N due to the diffusive motion of θˆ0. We propose a method to measure the coherence time with ultracold atoms, which we predict to be tens of milliseconds for the canonical ensemble unitary Fermi gas.
Nous déterminons la vitesse critique vcL d'une impureté en mouvement dans un superfluide de fermions par un raisonnement à la Landau, c'est-à-dire en nous limitant aux processus d'excitation minimale ...du superfluide par la particule. vcL est alors la plus petite des vitesses auxquelles ces processus sont énergétiquement permis. Comme le superfluide de fermions possède deux branches d'excitation, l'une fermionique prédite par la théorie de BCS et consistant à briser des paires de fermions, l'autre bosonique prédite par la RPA d'Anderson et consistant à les mettre en mouvement, il y a une vitesse critique de Landau vc,fL et vc,bL associée à chaque branche et vcL est la plus petite des deux. Dans l'espace des paramètres (force des interactions dans le superfluide, masse relative fermion–impureté), nous trouvons deux lignes de transition, correspondant respectivement à la discontinuité des différentielles première et seconde de vcL. Ces deux lignes se rejoignent en un point triple et partitionnent le plan en trois domaines. Nous étendons succinctement cette analyse au cas, très récemment réalisé à l'ENS, où l'objet en mouvement dans le superfluide de fermions est un superfluide d'impuretés bosoniques en interaction faible, plutôt qu'une impureté seule. Lorsque le potentiel chimique des bosons reste petit devant l'énergie de Fermi des fermions, la topologie des lignes de transition sur vcL ne change pas ; un résultat marquant est alors qu'au domaine vcL=c, où c est la vitesse du son dans le superfluide de fermions, correspond maintenant un domaine vcL=c+cB, où cB est la vitesse du son dans le superfluide de bosons, avec des frontières légèrement déplacées.
We determine à la Landau the critical velocity vcL of a moving impurity in a Fermi superfluid, that is by restricting it to the minimal excitation processes of the superfluid. vcL is then the minimal velocity at which these processes are energetically allowed. The Fermi superfluid actually exhibits two excitation branches: one is the fermionic pair-breaking excitation, as predicted by BCS theory; the other one is bosonic and sets pairs into motion, as predicted by Anderson's RPA. vcL is the smallest of the two corresponding critical velocities vc,fL and vc,bL. In the parameter space (superfluid interaction strength, fermion-to-impurity mass ratio), we identify two transition lines, corresponding to a discontinuity of the first-order and second-order derivatives of vcL. These two lines meet in a triple point and split the plane in three domains. We briefly extend this analysis to the very recently realized case at ENS, where the moving object in the Fermi superfluid is a weakly interacting Bose superfluid of impurities, rather than a single impurity. For a Bose chemical potential much smaller than the Fermi energy, the topology of the transition lines is unaffected; a key result is that the domain vcL=c, where c is the sound velocity in the Fermi superfluid, is turned into a domain vcL=c+cB, where cB is the sound velocity in the Bose superfluid, with slightly shifted boundaries.
Nous établissons des conditions nécessaires et suffisantes d’existence et d’infinie divisibilité pour des processus ponctuels alpha-déterminantaux et, lorsque alpha est positif, pour leur intensité ...sous-jacente (en tant que processus de Cox). Dans le cas où l’espace est fini, ces distributions correspondent à des lois binomiales, négatives binomiales et gamma multidimensionnelles. Nous étudions de façon approfondie ces deux derniers cas avec un noyau non nécessairement symétrique.
We establish necessary and sufficient conditions for the existence and infinite divisibility of alpha-determinantal processes and, when alpha is positive, of their underlying intensity (as Cox process). When the space is finite, these distributions correspond to multidimensional binomial, negative binomial and gamma distributions. We make an in-depth study of these last two cases with a non necessarily symmetric kernel.
Dans cette thèse, nous étudions l’effet du désordre magnétique sur les propriétés de transport électronique du graphène et des isolants topologiques 2D de type HgTe. Le graphène et les isolants ...topologiques sont des matériaux dont les excitations électroniques sont assimilées à des fermions de Dirac sans masse. L’influence des impuretés magnétiques sur les propriétés de transport du graphène est étudiée dans le régime de forts champs électriques. En conséquence de la production de paires électron-trou, la réponse devient non linéaire et dépend de la polarisation magnétique. Nous étudions une transition entre un isolant topologique bi-dimensionnel conducteur, caractérisé par une conductance G = 2 (en quantum de conductance) et un isolant de Chern avec G = 1, induite par des impuretés magnétiques polarisées.
In this thesis, we study the effect of a magnetic disorder on the electronic transport properties of graphene and HgTe-type 2D topological insulators. Graphene and topological insulators are materials whose electronic excitations are treated as massless Dirac fermions.The influence of magnetic impurities on the transport properties of graphene is investigated in the regime of strong applied electric fields. As a result of electron-hole pair creation, the response becomes nonlinear and dependent on the magnetic polarization.We investigate a transition between a two-dimensional topological insulator conduction state, characterized by a conductance G = 2 (in conductance quantum) and a Chern insulator with G = 1, induced by polarized magnetic impurities.
Ce manuscrit de thèse aborde les propriétés de transport hors-équilibre des systèmes mésoscopiques supra-conducteurs. Cette étude se décline en deux volets : i) la signature des fermions de Majorana ...dans les jonctionsJosephson topologiques, et ii) les corrélations du courant dans les jonctions Josephson tri-terminales.Les fermions de Majorana apparaissent aux bords d’un supraconducteur topologique. Lorsque deux supra-conducteurs topologiques sont reliés pour former une jonction Josephson, les états de Majorana d’énergie nullede part et d’autre de jonction forment un état lié d’Andreev. Puisque cet état porteur du supercourant est4π-périodique vis-à-vis de la différence de phase supraconductrice, il a été spéculé un effet Josephson fraction-naire en présence d’une tension de polarisation. On montre qu’une vitesse de phase finie induit un couplagedynamique entre l’état lié et le continuum des états au dessus de l’amplitude du gap supraconducteur. Ce cou-plage intrinsèque constitue un mécanisme inévitable qui altère l’effet Josephson fractionnaire. On discute, enfonction des paramètres du circuit, les signatures expérimentales pertinentes de l’effet Josephson fractionnaire :l’effet pair-impair dans les marches de Shapiro et l’émergence d’un pic à la fréquence fractionnaire dans la den-sité spectrale du bruit en courant. D’autres manifestations de ces états d’énergie nulle dans la caractéristiquecourant-tension, sous l’amplitude du paramètre d’ordre supraconducteur, sont également exposés.Dans un second temps sont abordées les fluctuations du courant dissipatif dans les jonctions Josephsontri-terminales. On montre que, les corrélations croisées du courant peuvent être positives et amplifiées dans unrégime cohérent. Ces résultats ouvrent la possibilité à des études plus élaborées sur l’enchevêtrement quantiquedans ces systèmes.
This PhD thesis manuscript deals with the non equilibrium transport properties of superconducting meso-scopic systems. This study declines in two shutters : i) signatures of Majorana fermions in topological Josephsonjunctions and ii) current-current correlations in three-terminal Josephson junctions.Majorana fermions appears at the boundaries of topological superconductors. When two topological su-perconductors are connected to form a Josephson junction, the zero-energy Majorana bound states localizedon either side of the junction form an Andreev bound state. As this current carrying state is 4π-periodic inthe superconducting phase difference, it was speculated that, at finite dc bias voltage, the junction exhibits afractional Josephson effect. We show that any finite phase velocity induces a dynamic coupling between thebound state and the continuum of states above the superconducting gap amplitude. This intrinsic couplingprovides an unavoidable mechanism that alters the fractional Josephson effect. We discuss, in terms of thecircuit parameters, signatures of the fractional Josephson effect that could be relevant for current experimen-tal investigations : the even-odd effect in Shapiro steps and the emergence of a peak at fractional Josephsonfrequency in the current noise spectrum. Furthermore, other manifestations of the Majorana bound states onthe subgap current-voltage characteristic are discussed.In a second step, we discuss the dissipative current fluctuations in three terminal Josephson junctions. Weshow that, current-current cross correlations can be positive and amplified in a coherent regime. This findingopens the possibility for further investigations on quantum entanglement in those systems
Cette thèse a pour objet l'étude de 3 systèmes de fermions lourds à base d'Ytterbium, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 et YbRh2Si2, dans des conditions extrêmes de hautes pressions, basses températures et hauts ...champs magnétiques. Une partie très importante dans ce travail a été le développement d'un dispositif de génération de force à très basses températures permettant une modulation de la pression in-situ adapté à des cellules à enclumes diamant. Pour YbCu2Si2, les mesures de ac-susceptibilité sous pression et sous champ magnétiques ainsi que les mesures d'aimantation sous pression montrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P> 8 GPa est ferromagnétique. L'étude du changement de la valence de l'ion Yb par des mesures de diffusion inélastique en conditions résonantes de rayons X ont permis de clarifier son interaction avec le magnétisme. Même si l'état trivalent est clairement favorisé sous pression, la valence reste inférieure à 3, proche de l'ordre magnétique, même dans les plus hautes pressions et plus basses températures. Nous avons également procédé à une recherche détaillée pour les signatures de metamagnétisme avec des mesures à très haut champ. Dans la deuxième partie de ma thèse, les mesures de ac-calorimétrie et ac-susceptibilité sous pression ont permit d'établir le diagramme de phase (P-T) dans YbCo2Zn20 jusqu'à 14 GPa. En plus, nos résultats suggèrent que l'ordre magnétique qui apparaît pour P>1 GPa est antiferromagnétique. Les forts effets du champ magnétique observées dans les propriétés physiques dans YbCo2Zn20 sont probablement liés à l'interaction entre le champ magnétique et les spins des électrons 4f et non à leur charge car la valence de l'Yb s'avère insensible à l'application d'un champ magnétique de 10 T. La partie finale de cette thèse est consacré à l'étude du diagramme de phase (H-T) sous pression dans YbRh2Si2 pour déterminer l'évolution de la température de l'ordre magnétique en fonctionne de H et P et mieux comprendre les effets liés à ce deux paramètres de contrôle.
In this thesis, three Yb-based heavy fermion compounds, YbCu2Si2, YbCo2Zn20 and YbRh2Si2, are studied under extreme conditions, i.e, high pressure, low temperatures and high magnetic fields. An important part of the work has been the set up of an in-situ tuning pressure device to measure diamond anvil cells at dilution fridge temperatures. This has enable most of the experimental results presented here. In YbCu2Si2 the nature of the pressure-induced magnetic order that arises for P> 8 GPa has been clarified to be ferromagnetic by ac-susceptibility and magnetization measurements under pressure. The interplay of magnetism and valence change has been investigated by measuring the valence of the title compound at high pressures and low temperatures using resonant inelastic x-ray scattering (RIXS). As expected, pressure favors the trivalent state but the Yb ion valence remains below 3 even at the highest pressure and at low temperatures very close to the onset of the magnetic order. We have also performed a detailed search for signatures of metamagnetism. The second part of my thesis focuses on YbCo2Zn20. We have extended the (P-T) phase diagram up to 14 GPa by ac-calorimetry and ac-susceptibility measurements. Our results shed some light on the nature of the magnetic order that arises for P>1 GPa which is antiferromangetic. The strong field effects observed in the physical properties in YbCo2Zn20 are probably related to the interaction between the magnetic field and the spin of the 4f electrons rather than to their charge as the valence of the Yb ion is insensitive to the application of a magnetic field of 10 T. The final part of this thesis is devoted to the detailed study of the (H-T) phase diagram under pressure in YbRh2Si2 to determine the evolution of the magnetic ordering temperatures as a function of H and P to better understand the interplay of the two control parameters.
Comprendre les propriétés des composés à électrons fortement corrélés nouvellement découverts est un important défi à la fois pour des raisons fondamentales et un impact industriel à long terme. Une ...activité expérimentale sur les métaux et supraconducteurs à électrons lourds a mis en évidence des effets qui se démarquent clairement de notre compréhension actuelle. Le but de cette thèse est de modéliser les effets de spin spéciaux qui ont été observés en réponse à un champ magnétique dans le supraconducteur CeCoIn(5). Elle est composée de deux parties. Dans un premier temps nous avons à faire à la distribution anormale du champ magnétique local dans le réseau de vortex révélé par les expériences de diffraction de neutrons à petits angles et rotation de spin muonique. Sur la base de a théorie de Ginzburg-Landau avec prise en compte de l'effet de spin, nous analysons l'inhomogénéité du champ local dans le réseau de vortex et calculons des expressions pour les facteurs de forme en diffraction neutronique et la largeur de raie statique en rotation de spin muonique. Nous montrons que les données expérimentales anormales sont le résultat de supercourants générés par le spin circulant autour du cœur du vortex et donnent une augmentation de l'inhomogénéité du champ sur une distance de l'ordre de la longueur de corrélation du supraconducteur à partir de l'axe du vortex. L'importance de l'effet est contrôlée par une seule quantité (le paramètre de Maki) qui permet la détermination de propriétés physiques du système à partir de données expérimentales. La seconde partie traite d'une transition d'onde de densité de spin presque commensurable dans un supraconducteur non-conventionnel. Elle est motivée par l'observation du confinement d'un ordre d'onde de densité de spin dans la phase supraconductrice de CeCoIn(5) dans un champ magnétique. Dans le cadre de la formulation spin-fermion nous proposons un mécanisme pour la transition de l'état fondamental qui consiste du ralentissement du mode collectif de fluctuation de densité de spin induit par le champ (exciton de spin) vers un ordre statique. Cela représente un scénario par lequel la transition vers l'ordre de spin est reliée intrinsèquement au supraconducteur.
Understanding the properties of newly discovered strongly correlated electron compounds is a considerable challenge for both fundamental matters and long-term industrial impact. Experimental activity on heavy electron metals and superconductors has lead to highlighting effects that depart from current knowledge. The thesis is aimed at modelling effects that have been observed in response to magnetic field in the heavy electron superconductor CeCoIn$_5$. This consists of two parts. In the first time we deal with the vortex lattice state anomalous local magnetic field space variations as highlighted by small angle neutron scattering and muon spin rotation experiment. On the basis of the Ginzburg-Landau theory with account of spin effect, we analyse the local field inhomogeneity in the vortex lattice and derive expressions for the neutron scattering form factors and muon spin rotation static linewidth. The anomalous experimental data are shown to be result of spin driven supercurrents which circulate around the vortex cores and lead to an increase with external field in the internal field inhomogeneity on a distance of the order of the superconducting coherence length from the vortex axis. The importance of the effect is controlled by a single quantity (the Maki parameter). The second part is on nearly commensurate spin density wave transition in a quasi two-dimensional superconductor. It is motivated by observation of the confinement of spin density wave ordering inside the superconducting state of CeCoIn$_5$ in magnetic field. In the frame of the spin-fermion formulation we propose a mechanism for the ground state transition consisting in the field-induced slowing down of a collective spin density fluctuation mode (spin-exciton) to static ordering. This represents a scenario by which the transition to spin ordering is intrinsically related to superconductivity
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