Parallel Quantum Circuit in a Tunnel Junction

The spectrum of 1-state and 2-states per line quantum buses is used to determine the effective $V_{ab}(N)$ electronic coupling between emitter and receiver states through the bus as a function of the number $N$ of parallel lines in the bus. When the calculation of $V_{ab}(N)$ is spectrally difficult, an Heisenberg-Rabi time dependent quantum exchange process can be triggered through the bus by preparing a specific initial non-stationanry state and identifying a target state to capture the effective oscillation frequency $\Omega_{ab}(N)$ between those. For $\Omega_{ab}(N)$ (for $V_{ab}(N)$), two different regimes are observed as a function of $N$: linear and $\sqrt{N}$ more moderate increases. This state preparation was remplaced by electronically coupling the quantum bus to two semi-infinite electrodes. The native quantum transduction process at work in this tunnel junction is not faithfully following the $\Omega_{ab}(N)$ variations with $N$. Due to normalisation to unity of the electronic transparency of the quantum bus and to the low pass filter character of the transduction, large $\Omega_{ab}(N)$ cannot be followed by the tunnel junction. At low coupling and when $N$ is small enough not to compensate the small through line coupling, an $N^2$ power law is preserved for $\Omega_{ab}(N)$. The limitations of the quantum transduction in a tunnel junction is pointing how the broadly used concept of electrical contact between a metallic nanopad and a molecular wire can be better described as a quantum transduction process

Structure électronique et transport quantique dans les nanostructures de Graphène

Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche atomique de carbone et représente un sujet majeur de la physique de la matière condensée. Le graphène possède de nombreuses propriétés remarquables : structure électronique décrite par une equation de Dirac sans masse, forte mobilité électronique, effet Hall quantique anormal, résistance ,rigidité et conductivité thermique élevée. Cette these concerne la structure électronique et le transport dans le graphène. Nous considérons en particulier le cas des bicouches tournées de graphène. Ces systèmes ont été découverts en particulier dans le graphène produit sur le carbure de silicium et présentent des propriétés originales par rapport aux bicouches dans l' empilement AB qui existe par exemple dans le graphite. Nous analysons au moyen d'une théorie perturbative et aussi par des approches numériques la densité d'états dans ces systèmes.Nous montrons que la densité d'états présente des oscillations avec la même période que celle du Moiré produit par ces bicouches. Nous analysons aussi le rôle des défauts sur les propriétés de transport en particulier dans le cas ou les défauts sont répartis uniquement sur une des deux couches. Ici aussi notre approche combine théorie perturbative du couplage interplans et approches purement numérique en liaisons fortes. Nous considérons aussi le role joué par les adatomes comme l'hydrogène par exemple. Nous analysons la modification de la densité d'états induite autour de l'adatome et les variations correspondantes de densité de charge et de potentiel électrostatique. Ces systèmes tendent à produire des états resonants près de l'énergie de Dirac qui dependent beaucoup aussi de la position top ou hollow de l' adsorbat. Pour des orbitales de type s la resonance est plus marquée si l'adatome est en position hollow. Nous montrons que l'image par experience STM (microscopie à effet tunnel) depend beaucoup de la distance entre l'adsorbat et la pointe du STM. Dans un régime de champ proche la résonance de l'adsorbat peut même apparaître comme un creux dans le signal dI/dV du STM.Graphene, a material made of a one-atom-thick carbon layer, is a major topic of modern condensed-matter research. Graphene exhibits exciting properties such as massless Dirac electronic structure, high mobility anomalous quantum Hall effects, strength, stiffness and extraordinary high thermal conductivity. This thesis deals with electronic structure and transport properties of graphene. We consider in particular the case of twisted bilayers of graphene. These systems have been discovered especially in graphene produced on Silicon Carbide and present original properties when compared with standard AB bilayers that occur for example in graphite. We analyze by perturbative theory and by numerical methods the density of states. We show that the electronic density of states presents periodic oscillations with the period of the geometric Moiré produced by these systems. We analyze also the role of defects on transport properties and in particular we consider the case where the defects are on one layer only : the layer exposed to the air. We show how defects on this layer affects the conductivity of the bilayer. Here also we use simple analytical models and numerical approaches. We consider also the role played by atomic impurities like Hydrogen adatom on the graphene plane. We analyze the modification of density of states induced around the adatom and the corresponding modifications of charge density and electrostatic potential. These systems tend to produce a resonant state close to the Dirac energy which depends much on whether the adatom is in a top or hollow position. For hydrogen like orbital (s orbital) the resonance is stronger in the hollow position. We show that the image obtained through STM experiments for these resonant state depends very much on the distance of the STM tip to the adatom. In a near field regime the resonance can even appear as a dip in the STM signal dI/dV.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Electronic Structure and Quantum Transport in Graphene Nanostructures

Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche atomique de carbone et représente un sujet majeur de la physique de la matière condensée. Le graphène possède de nombreuses propriétés remarquables : structure électronique décrite par une equation de Dirac sans masse, forte mobilité électronique, effet Hall quantique anormal, résistance ,rigidité et conductivité thermique élevée. Cette these concerne la structure électronique et le transport dans le graphène. Nous considérons en particulier le cas des bicouches tournées de graphène. Ces systèmes ont été découverts en particulier dans le graphène produit sur le carbure de silicium et présentent des propriétés originales par rapport aux bicouches dans l' empilement AB qui existe par exemple dans le graphite. Nous analysons au moyen d'une théorie perturbative et aussi par des approches numériques la densité d'états dans ces systèmes.Nous montrons que la densité d'états présente des oscillations avec la même période que celle du Moiré produit par ces bicouches. Nous analysons aussi le rôle des défauts sur les propriétés de transport en particulier dans le cas ou les défauts sont répartis uniquement sur une des deux couches. Ici aussi notre approche combine théorie perturbative du couplage interplans et approches purement numérique en liaisons fortes. Nous considérons aussi le role joué par les adatomes comme l'hydrogène par exemple. Nous analysons la modification de la densité d'états induite autour de l'adatome et les variations correspondantes de densité de charge et de potentiel électrostatique. Ces systèmes tendent à produire des états resonants près de l'énergie de Dirac qui dependent beaucoup aussi de la position top ou hollow de l' adsorbat. Pour des orbitales de type “s” la resonance est plus marquée si l'adatome est en position hollow. Nous montrons que l'image par experience STM (microscopie à effet tunnel) depend beaucoup de la distance entre l'adsorbat et la pointe du STM. Dans un régime de champ proche la résonance de l'adsorbat peut même apparaître comme un creux dans le signal dI/dV du STM.Graphene, a material made of a one-atom-thick carbon layer, is a major topic of modern condensed-matter research. Graphene exhibits exciting properties such as massless Dirac electronic structure, high mobility anomalous quantum Hall effects, strength, stiffness and extraordinary high thermal conductivity. This thesis deals with electronic structure and transport properties of graphene. We consider in particular the case of twisted bilayers of graphene. These systems have been discovered especially in graphene produced on Silicon Carbide and present original properties when compared with standard AB bilayers that occur for example in graphite. We analyze by perturbative theory and by numerical methods the density of states. We show that the electronic density of states presents periodic oscillations with the period of the geometric Moiré produced by these systems. We analyze also the role of defects on transport properties and in particular we consider the case where the defects are on one layer only : the layer exposed to the air. We show how defects on this layer affects the conductivity of the bilayer. Here also we use simple analytical models and numerical approaches. We consider also the role played by atomic impurities like Hydrogen adatom on the graphene plane. We analyze the modification of density of states induced around the adatom and the corresponding modifications of charge density and electrostatic potential. These systems tend to produce a resonant state close to the Dirac energy which depends much on whether the adatom is in a top or hollow position. For hydrogen like orbital (s orbital) the resonance is stronger in the hollow position. We show that the image obtained through STM experiments for these resonant state depends very much on the distance of the STM tip to the adatom. In a near field regime the resonance can even appear as a dip in the STM signal dI/dV

Structure électronique et transport quantique dans les nanostructures de Graphène

Graphene, a material made of a one-atom-thick carbon layer, is a major topic of modern condensed-matter research. Graphene exhibits exciting properties such as massless Dirac electronic structure, high mobility anomalous quantum Hall effects, strength, stiffness and extraordinary high thermal conductivity. This thesis deals with electronic structure and transport properties of graphene. We consider in particular the case of twisted bilayers of graphene. These systems have been discovered especially in graphene produced on Silicon Carbide and present original properties when compared with standard AB bilayers that occur for example in graphite. We analyze by perturbative theory and by numerical methods the density of states. We show that the electronic density of states presents periodic oscillations with the period of the geometric Moiré produced by these systems. We analyze also the role of defects on transport properties and in particular we consider the case where the defects are on one layer only : the layer exposed to the air. We show how defects on this layer affects the conductivity of the bilayer. Here also we use simple analytical models and numerical approaches. We consider also the role played by atomic impurities like Hydrogen adatom on the graphene plane. We analyze the modification of density of states induced around the adatom and the corresponding modifications of charge density and electrostatic potential. These systems tend to produce a resonant state close to the Dirac energy which depends much on whether the adatom is in a top or hollow position. For hydrogen like orbital (s orbital) the resonance is stronger in the hollow position. We show that the image obtained through STM experiments for these resonant state depends very much on the distance of the STM tip to the adatom. In a near field regime the resonance can even appear as a dip in the STM signal dI/dV.Le graphène est un matériau constitué d'une seule couche atomique de carbone et représente un sujet majeur de la physique de la matière condensée. Le graphène possède de nombreuses propriétés remarquables : structure électronique décrite par une equation de Dirac sans masse, forte mobilité électronique, effet Hall quantique anormal, résistance ,rigidité et conductivité thermique élevée. Cette these concerne la structure électronique et le transport dans le graphène. Nous considérons en particulier le cas des bicouches tournées de graphène. Ces systèmes ont été découverts en particulier dans le graphène produit sur le carbure de silicium et présentent des propriétés originales par rapport aux bicouches dans l' empilement AB qui existe par exemple dans le graphite. Nous analysons au moyen d'une théorie perturbative et aussi par des approches numériques la densité d'états dans ces systèmes.Nous montrons que la densité d'états présente des oscillations avec la même période que celle du Moiré produit par ces bicouches. Nous analysons aussi le rôle des défauts sur les propriétés de transport en particulier dans le cas ou les défauts sont répartis uniquement sur une des deux couches. Ici aussi notre approche combine théorie perturbative du couplage interplans et approches purement numérique en liaisons fortes. Nous considérons aussi le role joué par les adatomes comme l'hydrogène par exemple. Nous analysons la modification de la densité d'états induite autour de l'adatome et les variations correspondantes de densité de charge et de potentiel électrostatique. Ces systèmes tendent à produire des états resonants près de l'énergie de Dirac qui dependent beaucoup aussi de la position top ou hollow de l' adsorbat. Pour des orbitales de type “s” la resonance est plus marquée si l'adatome est en position hollow. Nous montrons que l'image par experience STM (microscopie à effet tunnel) depend beaucoup de la distance entre l'adsorbat et la pointe du STM. Dans un régime de champ proche la résonance de l'adsorbat peut même apparaître comme un creux dans le signal dI/dV du STM

Theory for STM images of resonances in the near-field regime: application to adsorbates and local defects on graphene

International audienc

Qubits and quantum Hamiltonian computing performances for operating a digital Boolean 1/2-adder

International audienceQuantum Boolean (1 + 1) digits 1/2-adders are designed with 3 qubits for the quantum computing (Qubits) and 4 quantum states for the quantum Hamiltonian computing (QHC) approaches. Detailed analytical solutions are provided to analyse the time operation of those different 1/2-adder gates. QHC is more robust to noise than Qubits and requires about the same amount of energy for running its 1/2-adder logical operations. QHC is faster in time than Qubits but its logical output measurement takes longer

Quantum Hamiltonian Computing protocols for molecular electronics Boolean logic gates

International audienceQuantum Hamiltonian Computing is a recent approach that uses quantum systems, in particular a single molecule, to perform computational tasks. Within this approach, we present explicit methods to construct logic gates using two different designs, where the logical outputs are encoded either at fixed energy and spatial positioning of the quantum states, or at different energies. We use these results to construct quantum Boolean adders involving a minimal number of quantum states with the two designs. We also establish a matrix algebra giving an analogy between classical Boolean logic gates and quantum ones, and assess the possibilities of both designs for more complex gates

Electronic properties of asymmetrically doped twisted graphene bilayers

International audienceRotated graphene bilayers form an exotic class of nanomaterials with fascinating electronic properties governed by the rotation angle θ. For large rotation angles, the electron eigenstates are restricted to one layer and the bilayer behaves like two decoupled graphene layer. At intermediate angles, Dirac cones are preserved but with a lower velocity and van Hove singularities are induced at energies where the two Dirac cones intersect. At very small angles, eigenstates become localized in peculiar moir zones. We analyse here the effect of an asymmetric doping for a series of commensurate rotated bilayers on the basis of tight binding calculations of their band dispersions, density of states, participation ratio and diffusive properties. While a small doping level preserves the θ dependence of the rotated bilayer electronic structure, larger doping induces a further reduction of the band velocity in the same way of to a further reduction of the rotation angle

Electronic structure and quantum transport in twisted bilayer graphene with resonant scatterers

International audienceStaking layered materials revealed to be a very powerful method to tailor their electronic properties. It has indeed been theoretically and experimentally shown that twisted bilayers of graphene (tBLG) with a rotation angle θ , forming Moiré pattern, confine electrons in a tunable way as a function of θ. Here, we study electronic structure and transport in tBLG by using tight-binding numerical calculations in commensurate twisted bilayer structures and a pertubative continuous theory, which is valid for not too small angles (θ >∼ 2 •). This two approaches allow to understand the effect of θ on the local density of states, the electron lifetime due to disorder, the dc-conducitivity and the quantum correction of the conductivity due to multiple scattering effects. We distinguished the cases where disorder is equaly distributed in the two layer or only in one layer. When only one layer is disordered, diffusion properties depends strongly on θ , showing thus the effect of Moiré electronic localisation at intermediate angles, ∼ 2 • < θ <∼ 20 •